Atomic metallic ion emission, field surface melting and scanning tunneling microscopy tips

(Received 4 March 1991, accepted 13 March 1991)

Abstract
This work presents the physical realisation of metallic ion beams from atomic emitters with currents of approximately 10 ⁵ ions per second. It also puts forward the idea of field surface melting at approximately one third of the bulk melting temperature. Under cooling this melted surface, experiments show pyramidal structures of nanometer dimensions ending in one atom also separated by nanometers, then shaping surface grain boundaries. Furthermore, this reveals why it is possible to have atomic resolution in STM experiments. The formation of double, triple, etc. atomic teton tips is also possible. All this is shown by field ion and field emission microscopies and atomic metallic ion emission experiments presented here for tungsten tips.

Résumé
L'obtention de faisceaux d'ions (environ 10 ⁵ ions/s) à partir d'émetteurs ayant une dimension atomique est possible et nous présentons ici leur réalisation expérimentale. Ce travail repose sur le principe d'une fusion de surface sous champ à une température d'environ un tiers de la température de fusion de volume. Ces émetteurs présentent une structure pyramidale de dimension nanométrique et terminée par un atome. Le voisinage de plusieurs émetteurs, distants aussi de quelques nanomètres, définit alors des joints de grains de surface. Nos résultats fournissent d'une part l'explication à la possibilité d'obtenir avec des pointes initialement macroscopiques une résolution atomique en microscopie à effet tunnel, et d'autre part ils montrent la possibilité de fabriquer de manière contrôlée des pointes avec une double, triple, etc... structures tétines. Cette étude a été réalisée avec des pointes de tungstène dont les caractéristiques sont analysées par microscopies électronique et ionique de champ.