Кристаллография, 2024, № 1

Российская академия наук
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
Том 69     № 1     2024     Январь–Февраль
Основан в 1956 г.
Выходит 6 раз в год
 
ISSN 0023-4761
Журнал издается под руководством 
Отделения физических наук РАН
Главный редактор 
М. В. Ковальчук
Редакционная коллегия:
А.С. Авилов, В.Л. Аксёнов, В.А. Бушуев,
А.Э. Волошин (заместитель главного редактора), И.Л. Ерёменко,
 
А.Г. Забродский, М.Ю. Каган, В.М. Каневский,
П.К. Кашкаров (заместитель главного редактора), 
В.В. Кведер, С.Л. Киселев,
А.Ф. Константинова (ответственный секретарь),
А.Г. Литвак, А.А. Макаров, Э.Х. Мухамеджанов, 
В.Я. Панченко, В.О. Попов, Д.Ю. Пущаровский,
Н.И. Сорокина, С.Н. Чвалун
Зав. редакцией И.Н. Миронова
Адрес редакции: 1119333, В-333, Ленинский проспект, 59
 
тел. 8(499)135-60-70
E-mail: redcryst@crys.ras.ru
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Кристаллография” 
    (составитель), 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Том 69, номер 1, 2024
Колонка главного редактора 
3
ОБЗОРЫ
Автоионные источники для исследования и модификации структуры аморфных  
и кристаллических материалов
Ю. В. Петров, О. Ф. Вывенко 
5
Мезоскопическое несоответствие – новый взгляд на эпитаксию наноструктур
Д. И. Бажанов 
21
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Формирование полярной сегнетоэлектрической фазы в пленках HfO2 в зависимости  
от условий отжига и химических свой 
ств примесей
А. В. Бугаев, А. С. Конашук, Е. О. Филатова 
28
РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ
Структура доменных и антифазных границ в P-фазе оксида галлия
О. Ф. Вывенко, А. С. Бондаренко, Е. В. Убыйвовк, С. В. Шапенков, А. И. Печников,  
В. И. Николаев, С. И. Степанов 
34
СТРУКТУРА МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Электронное строение комплекса [Cu(Salen)] и химическое состояние его атомов  
по данным фотоэлектронной спектроскопии и квантово-химических расчетов
П. М. Корусенко, А. В. Королева, А. А. Верещагин, К. П. Катин, О. В. Петрова, Д. В. Сивков,  
О. В. Левин, А. С. Виноградов 
40
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Особенности кристаллической структуры гидроксилапатита кальция в нативной костной ткани
А. А. Павлычев, К. О. Брыкалова, А. В. Корнеев, А. А. Черный, Н. Н. Корнилов 
50
ДИНАМИКА РЕШЕТКИ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Проявление гидридных фазовых превращений в водородопроницаемости  
поликристаллического титана и циркония
Е. А. Денисов, В. А. Дмитриев 
57
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Стимулированное электронным пучком образование люминесцентных углеродных  
комплексов в гексагональном нитриде бора
Ю. В. Петров, О. Ф. Вывенко, О. А. Гогина, С. Ковальчук, К. Болотин 
65
Исследование свойств поверхностных акустических волн в монокристалле ниобата лития  
с пленкой диоксида кремния методом конечных элементов
О. Л. Балышева, А. С. Койгеров, Б. Ц. Ракшаев 
71
Структура и свойства сегнетоэластика K2Ba(NO2)4 из первых принципов
А. Ю. Белов, Л. Ф. Кирпичникова 
79

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
Изучение влияния барьерных слоев Si и Be на кристаллизацию многослойного  
рентгеновского зеркала Cr/Sc
А. В. Соломонов, С. С. Сахоненков, Е. О. Филатова 
84
Структура и электропроводность тонких пленок нитрида алюминия на кремнии
Н. В. Базлов, О. Ф. Вывенко, Н. В. Ниязова, И. М. Котина, М. В. Трушин, А. С. Бондаренко 
91
Спин-поляризованные состояния в электронной структуре Pt(111) и графен/Pt(111)
А. А. Гогина, А. А. Рыбкина, А. В. Тарасов, А. М. Шикин, А. Г. Рыбкин 
99
Исследование поверхностного магнетизма в системах на основе MnBi2Te4 с использованием 
магнитооптического эффекта Керра
Д. А. Глазкова, Д. А. Естюнин, А. С. Тарасов, Н. Н. Косырев, В. А. Комаров, Г. С. Патрин,  
В. А. Голяшов, О. Е. Терещенко, К. А. Кох, А. В. Королёва, А. М. Шикин 
105
Люминесценция оксидных пленок, полученных молекулярным наслаиванием
А. П. Барабан, В. А. Дмитриев, А. В. Дрозд, Ю. В. Петров, И. Е. Габис, А. А. Селиванов 
111
Синтез тонкой пленки металлогидрида Mg2NiH4 на никелевой подложке
А. П. Барабан, А. П. Вой 
т, И. Е. Габис, Д. И. Елец, А. А. Левин, Д. А. Зайцев 
119
Адсорбция молекулярного кислорода на N-графен
К. А. Бокай, О. Ю. Вилков, Д. Ю. Усачев 
127
НАНОМАТЕРИАЛЫ, КЕРАМИКА
Плотность незаполненных электронных состояний сверхтонких слоев  
дибромо-биантрацена на поверхности послойно выращенного ZnO
А. С. Комолов, Э. Ф. Лазнева, В. С. Соболев, С. А. Пшеничнюк, Н. Л. Асфандиаров,  
Е. В. Жижин, Д. А. Пудиков, Е. А. Дубов, И. А. Пронин, Ф. Дж. Акбарова, У. Б. Шаропов 
134
Эффект самосборки наночастиц при плазменном разряде в капиллярном электроде
А. М. Яфясов, В. Б. Божевольнов, В. Ю. Михайловский 
140
Начальные этапы образования железомарганцевых корок на дне мирового океана
А. А. Новакова, С. И. Панфилов, В. В. Авдонин, Е. А. Жегалло 
144
РОСТ КРИСТАЛЛОВ
Кинетические характеристики кристаллизации в модельном растворе синовиальной  
жидкости в присутствии органических примесей
О. А. Голованова  
153
ИСТОРИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИИ
Это она – диссимметрия – творит явления
Н. М. Щагина 
161
НЕКРОЛОГИ
Сергей Алексеевич Пикин (08.04.1941–12.01.2024) 
167

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2024, том 69, № 1,  с. 3–4
КОЛОНКА ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА
DOI: 10.31857/S0023476123700030, EDN: WZTBII
Уважаемые читатели!
Редколлегия журнала “Кристаллография” продолжает публикацию тематических номеров, посвященных изучению структуры, состава и свойств как неорганических, так и  органических 
материалов.
Предлагаемый вашему вниманию выпуск, 
посвященный 300-летию со дня основания 
Санкт-Петербургского государственного университета, знакомит с исследованиями, выполненными при участии сотрудников кафедры электроники 
твердого тела физического факультета СПбГУ.
История кафедры и пути ее развития на многие 
годы были определены талантом, устремлениями 
и личностями ее первых руководителей – академиков Петра Ивановича Лукирского и Александра 
Алексеевича Лебедева. Однокашники, талантливейшие физики, абсолютно разные как по своим 
человеческим качествам, так и подходам к решению научных проблем, основали и предопределили современное развитие кафедры электроники 
твердого тела.
Работы П.И. Лукирского в области фотоэмиссии и мягкого рентгеновского излучения послужили основанием для образования 30 августа 1930 г. 
кафедры рентгеноскопии и электричества под его 
руководством, история которой прослеживается 
до наших дней. Впоследствии она была переименована в кафедру электрофизики, а затем в кафедру электроники твердого тела. В 1947 г. ее возглавил выдающийся советский физик академик 
Александр Алексеевич Лебедев. Научным кредо 
А.А. Лебедева была многоплановость проводимых исследований путем привлечения и разработки наиболее современных экспериментальных 
методик исследования материалов твердотельной 
электроники – полупроводников, диэлектриков, 
металлов, их контактов (межфазовых границ) 
и поверхностей.
Существенным моментом в  развитии кафедры стало, начиная с  1990  г., тесное сотрудничество с  бурно развивающимся международным синхротронным физическим сообществом. 
Апофеозом такого сотрудничества стала организация уникальной Российско-Германской лаборатории синхротронного излучения (Russian-German 
Beam Line, RGBL) на новом накопителе BESSY II 
в Берлине. Автором идеи и мотором ее реализации была профессор кафедры электроники твердого тела Вера Константиновна Адамчук. О сложности задачи говорит то, что решение о создании 
RGBL принималось на уровне правительств ФРГ 
и России. Официально лаборатория была открыта 
в 2001 г. В 2000-х гг. докторские диссертации защитили Е.О. Филатова (2000) и А.М. Шикин (2001), 
в которых значительный объем работ уже составили исследования с использованием синхротронного излучения. Многие выпускники лаборатории 
стали активными и востребованными сотрудниками различных научных центров. Среди них стоит 
особо отметить С.Л. Молодцова, который активно 
участвовал в процессе формирования лаборатории 
и ее модернизации, и в настоящее время является 
научным директром центра лазера на свободных 
электронах.
К настоящему времени на кафедре электроники твердого тела сформировался коллектив, 
обладающий уникальными, даже по мировым 
стандартам, интеллектуальными и  методическими возможностями изучения электронной 
и атомной структуры твердых тел в объеме, на поверхности и на межфазных границах различного 
типа, низкоразмерных систем, квазидвумерных 
систем и наноструктурированных материалов. Такая многоплановость проводимых исследований 
стала и остается “фирменным знаком” кафедры, 
предъявляющим повышенные требования к уровню образования и уровню проводимых научных 
исследований.
Основной “продукцией” кафедры являются 
подготовленные для нужд страны высококвалифицированные специалисты по изучению электронного строения, состава и свой 
ств неорганических 
и органических материалов, а также кадры высшей научной квалификации – кандидаты и доктора наук. За весь период своего существования 
3

квалификации исследователей, широко известных 
мировому научному сообществу.
кафедра подготовила более 2000 специалистов, 
более 200 кандидатов и 31 доктора наук, которые 
в дальнейшем достойно проявили себя в отечественных высших учебных заведениях, в академических и отраслевых научных центрах.
Представленные статьи отражают лишь часть 
проводимых на кафедре исследований. Тем не 
менее их содержание дает достаточное представление о широте тематики и имеющемся уровне 
Главный редактор, член-корреспондент РАН 
Профессор М.В. Ковальчук 
Приглашенный редактор тематического выпуска 
кандидат физико-математических наук 
 
В.А. Дмитриев
 
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ 
том 69 
№ 1 
2024

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2024, том 69, № 1,  с. 5–20
ОБЗОРЫ
УДК 538.971:538.975:53.086
К 300-летию Санкт-Петербургского  
государственного университета
АВТОИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ  
И МОДИФИКАЦИИ СТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ  
И КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
© 2024 г.   Ю. В. Петров, 1,*, О. Ф. Вывенко1
1Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
*E-mail: y.petrov@spbu.ru
Поступила в редакцию 08.06.2023 г.
После доработки 08.06.2023 г.
Принята к публикации 30.06.2023 г.
Описаны системы со сфокусированным ионным пучком, использующие газовые автоионные 
источники. В историческом контексте рассмотрены принципы работы таких источников и способы их формирования, эффективная область ионизации в которых определяется размерами 
одного атома. Описываемые системы имеют широкий спектр приложений как в области сканирующей ионной микроскопии в сочетании с различными аналитическими методами, так и в области модификации с высоким разрешением электрических, оптических, магнитных и других 
свой 
ств материалов. Такая модификация основана на ионно-индуцированном изменении структуры материала и наиболее ярко выражена в кристаллических полупроводниках, сверхпроводниках и магнетиках.
DOI: 10.31857/S0023476124010029, EDN: tgmyya
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. История появления и развития автоионных 
источников
2. Принцип работы газовых автоионных источников
3. Ионно-оптическая колонна
4. Применение газовых автоионных источников 
в ионной микроскопии
5. Применение сфокусированных ионных пучков для управления свойствами материалов
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
поверхности и контроля процесса обработки. Использование разнообразных детекторов и систем 
ионной оптики, а также сочетание с растровым 
электронным микроскопом позволяет расширить возможности применения сфокусированных 
ионных пучков, однако именно от типа источника ионов и того, какие именно ионы используются, зависят предельно достижимые параметры 
ионного пучка и процессы взаимодействия ионов 
с веществом. К настоящему моменту в системах 
со сфокусированным ионным пучком широко 
применяют источники ионов нескольких типов: 
электрогидродинамические (жидкометаллические, с ионной жидкостью) [2–4], плазменные 
(индуктивно связанная плазма) [5, 6], газовые автоионные  
[6–8] и источники с магнитной (магнитооптической) ловушкой [9]. На рис. 1 приведена 
периодическая система химических элементов, на 
которой согласно данным [2–23] отмечены элементы, применяемые в источниках ионов соответствующих типов.
Как несложно видеть, наибольшее разнообразие ионов может быть получено с помощью электрогидродинамических источников, использующих 
чаще всего расплавы различных металлов и сплавов (жидкометаллические источники). В серийно выпускаемых системах со сфокусированным 
Системы со сфокусированным ионным пучком 
широко применяются для субмикронной обработки поверхности различных материалов, а также в различных методах анализа с высоким пространственным разрешением и сегодня являются 
одним из самых популярных инструментов в области нанотехнологий [1]. Такие системы включают в себя источники ионов, систему ионной 
оптики и камеру для образца с набором детекторов, необходимых для получения изображения 
5

ПЕТРОВ, ВЫВЕНКО 
Рис. 1. Химические элементы, применяемые в источниках ионов разных типов: ■ – на основе газовой плазмы [5, 6, 
10–16], ▼ – газовые автоионные источники [6–8, 17–22], ● – электрогидродинамические [2–4, 23], Δ – с магнитооптической ловушкой [9].
ионным пучком наиболее широко распространены жидкометаллические источники ионов галлия. 
В силу высокой популярности источники такого 
типа, принципы их работы и особенности применения наиболее подробно описаны в литературе, 
в частности в обзоре [2].
В случае газов, в первую очередь инертных, используются либо плазменные, либо газовые автоионные источники. Источники ионов с индуктивно связанной плазмой применяются в серийных 
системах со сфокусированным ионным пучком 
и, хотя они не так широко распространены, как 
жидкометаллические источники, позволяют получить значительно больший ток ионного пучка. При 
использовании тяжелых ионов, таких как ксенон, 
можно существенно повысить скорость распыления материала, что дает значительный выигрыш во 
времени обработки при необходимости удаления 
большого количества материала [5, 6]. Газовые автоионные источники, напротив, ограничены максимальным током пучка, но позволяют достичь рекордно высокого пространственного разрешения 
[8], чем и объясняется интерес к системам с источниками такого типа.
Системы с магнитооптической ловушкой хотя 
и обладают конкурентноспособными параметрами ионного пучка, но в силу технической сложности самого источника не используются в серийно 
выпускаемых системах со сфокусированным ионным пучком. Особенности источников такого типа 
и примеры их использования представлены в обзоре [9].
Применение систем со сфокусированным ионным пучком в  современном материаловедении 
требует от исследователя знаний и представлений 
об их возможностях и характеристиках в сравнении с источниками различного типа. С этой целью в работе проведено краткое сравнение разных 
ионных источников и представлены примеры их 
основного применения. Для решения исследовательских и технологических задач с максимальным пространственным разрешением наиболее 
интересными представляются системы с газовым 
автоионным источником. Однако число опубликованных на русском языке работ, посвященных этой 
теме, весьма ограничено. Настоящая работа должна заполнить имеющийся пробел и ознакомить читателя с краткой историей развития и принципами 
 
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ 
том 69 
№ 1 
2024

АВТОИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ
7
работы газовых автоионных источников и основными направлениями применения систем со сфокусированным ионным пучком на основе таких 
источников.
1. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ 
АВТОИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В основе работы газовых автоионных источников лежит явление автоионизации, или ионизации 
газа в сильном электрическом поле. Это явление
было описано Э. Мюллером в середине прошлого 
века [24–26]. Для достижения больших значений 
напряженности электрического поля в качестве 
анода использовано металлическое острие с минимально возможным радиусом кривизны, находящееся в объеме, заполненном газом при низком
давлении (рис. 2). В результате туннелирования
и перехода электронов с валентных орбиталей атомов газа на свободные орбитали в металле атомы
ионизируются и ускоряются в направлении электрического поля от острия.
Одним из важнейших результатов работ Э. МюлРис. 2. Автоионизация газа вблизи металлического 
острия.
лера стало создание автоионного микроскопа, или
полевого ионного проектора, который позволил
наблюдать структуру поверхности острия-анода 
с атомарным разрешением. В основе его работы 
лежит идея увеличения напряженности электрического поля и, как следствие, вероятности туннелирования вблизи атомарных выступов на поверхности. В результате образующиеся ионы ускоряются 
в направлении от атомарного выступа, а каждый
атом играет роль точечного источника, испускающего свой узкий пучок ионов (рис. 2). В работах Мюллера впервые была показана возможность
создания ионного источника, минимальный размер 
которого сравним с размерами одиночного атома. 
Именно такие источники позволяют достичь наилучших результатов в настоящее время.
Развитие идеи использования автоионизации 
В дальнейшем Дж. Орлофф и Л. Свенсон выполнили ряд работ, посвященных развитию газовых 
автоионных источников [17, 27, 28], в которых они 
показали, что можно достичь высокой яркости 
источника, а в сканирующем ионном микроскопе – разрешения в несколько десятков нанометров 
при токе в несколько пикоампер. Позже Г. Аллан 
и  Дж. Легге использовали газовый автоионный 
источник в протонном микрозонде [29, 30] и показали, что можно достичь разрешения в несколько 
нанометров при токе до нескольких десятков пикоампер. Также необходимо отметить работы группы 
З. Кальбитцера, в которых было описано так называемое сверхострие с малым радиусом кривизны, 
благодаря которому возможен виртуальный размер источника меньше радиуса кривизны острия 
[18, 31, 32].
В начале этого века основные типы источников ионов благородных газов, в том числе газовые 
автоионные источники, были описаны в обзоре 
В. Тондаре [33], который пришел к выводу, что газовые автоионные источники наиболее многообещающие для применения в системах со сфокусированным ионным пучком ввиду высокой яркости, 
а основным их недостатком является низкая стабильность по сравнению с плазменными или жидкометаллическими источниками.
Поскольку уменьшение радиуса кривизны 
для создания ионных источников связано в первую очередь с попытками сконструировать ионный микроскоп, который аналогично существующим на тот момент электронным микроскопам 
позволял бы получать увеличенное изображение 
исследуемого объекта, содержащее дополнительную информацию, связанную с особенностями
взаимодействия ионов с  веществом. На основе 
этой идеи группа под руководством Р. Леви-Сетти
сконструировала первый сканирующий просвечивающий протонный микроскоп с автоионным 
источником [7]. И хотя этот микроскоп работал
при токе ионного пучка на несколько порядков 
ниже, чем современные системы, уже тогда были
продемонстрированы изображения ряда биологических объектов, что позволило говорить о возможных перспективах дальнейшего применения
газовых автоионных источников в микроскопии.
острия, используемого в  качестве автоионного 
источника, приводило к увеличению его яркости, 
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
том 69
№ 1
2024

ПЕТРОВ, ВЫВЕНКО 
Таким образом, после развития методов формирования острия с атомарно-острой вершиной 
были достигнуты высокая яркость и минимально 
возможные размеры газовых автоионных источников. В результате стало возможным производство систем со сфокусированным ионным пучком, обладающих субнанометровым разрешением [8].
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВЫХ 
АВТОИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В основе явления автоионизации лежит туннелирование электронов сквозь узкий потенциальный барьер, возникающий вблизи поверхности 
металла в сильном электрическом поле (рис. 3a). 
Из квантовой механики хорошо известно, что вероятность туннелирования возрастает при уменьшении высоты и ширины потенциального барьера. 
Для оценки прозрачности потенциального барьера можно воспользоваться квазиклассичеким приближением в одномерном случае:
x
 
 
(1)
2
1
=
D
m V x
E dx
exp
8
( ( )
)
,
x
2
∫
=
−
−
⎧
⎨
⎩
⎪
⎫
⎬
⎭
⎪
где m – масса электрона, ħ – постоянная Планка, 
E – полная энергия электрона, V(x) – потенциальная энергия электрона. В простом случае атома 
водорода
2
2
 
V x
e
x
x
e x
e
x
e
x
x
4
.
2
0
( ) = −
−
+ ε −
+
+
 
(2)
0
естественным шагом в дальнейшем развитии автоионных источников было уменьшение радиуса 
кривизны острия до размеров одиночного атома. 
Методы получения одиночного атома (или нескольких атомов) на вершине острия, обладающего достаточной стабильностью для практического 
использования в системах со сфокусированным 
ионным пучком, были разработаны лишь в начале 
XXI в.
Идеологически наиболее простым и исторически первым методом получения такого источника является метод термополевого формирования 
вольфрамового острия. Еще в работах Мюллера 
[26] было описано изменение формы острия под 
влиянием сильного электрического поля. В дальнейшем идея использования термополевого формирования острия для получения одиночных атомов вольфрама на вершине острия была развита 
В.Г. Павловым [34, 35], а также группой американских авторов [36, 37], использовавших трехатомный источник при создании сканирующего 
ионного гелиевого микроскопа. Коммерциализация и выпуск в серию этого прибора, как можно 
видеть из обсуждаемых ниже работ, сыграли значительную роль в развитии приложений систем со 
сфокусированным ионным пучком, использующих 
газовый автоионный источник.
Альтернативный метод получения одноатомных 
источников был разработан в группе Т. Цоня [38–
42]. В его основе лежит самоупорядочение атомов 
благородных металлов (Pd, Pt, Ir) на поверхности 
вольфрама (111) при нагреве. В результате такого упорядочения атомы адсорбата выстраиваются в трехгранную пирамиду, на вершине которой 
и  размещается одиночный атом, используемый 
в качестве точечного источника, на котором происходит автоионизация газа. Несмотря на высокую 
яркость и приемлемую стабильность таких источников, широкого распространения они не получили, вероятно, ввиду необходимости использования 
благородных металлов в процессе их получения.
Еще один альтернативный метод получения одноатомных источников был разработан в группе 
Р. Волкова [43]. Он основан на травлении острия 
вольфрама азотом в сильном электрическом поле. 
В дальнейшем этот же метод был применен для 
травления иридиевого острия кислородом [44]. 
В результате взаимодействия адсорбированного 
газа с материалом острия в сильном электрическом поле атомы металла отрываются от поверхности, что приводит к уменьшению радиуса кривизны острия вплоть до формирования одноатомной 
вершины. Этот же метод подготовки одноатомных 
ионных источников применяли в одной из компаний – производителей оборудования [21, 45], но 
об использовании газовых автоионных источников в серийных приборах этого производителя на 
сегодня ничего не известно.
Здесь первое слагаемое описывает энергию 
электрона в поле кулоновского потенциала ядра 
атома, находящегося на расстоянии от поверхности 
металла, второе слагаемое – энергию электрона 
в электрическом поле напряженностью ε, а третье 
и четвертое слагаемые – энергию взаимодействия 
электрона с зарядами-изображениями электрона и иона соответственно. Исходя из формулы (1) 
можно предположить, что при уменьшении расстояния между металлом и атомом вероятность 
ионизации должна увеличиваться, но также нельзя забывать о том, что часть уровней в металле уже 
заполнена электронами (заштрихованная область 
на рис. 3а). В случае, когда потенциал ионизации 
газа больше, чем работа выхода электрона из металла, в отсутствие электрического поля энергия 
валентных электронов атома соответствует энергии заполненных уровней в металле, а значит, туннелирование и переход на эти уровни запрещены 
согласно принципу Паули. Во внешнем электрическом поле уровни валентных электронов атома расположены выше, поэтому электрон может 
туннелировать и переходить на свободные уровни 
в металле. Для заданной напряженности электрического поля существует минимальное расстояние, 
 
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ 
том 69 
№ 1 
2024

 
АВТОИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ  
9
Рис. 3. Энергетическая схема, описывающая процесс ионизации атома в сильном электрическом поле вблизи поверхности металла (а). Расчетные зависимости прозрачности потенциального барьера D от расстояния d (б) при 
напряженности электрического поля: 200 (1), 300 (2), 400 (3), 500 (4), 600 МВ/см (5).
на котором может иметь место туннелирование. 
Оно соответствует случаю, когда уровень энергии 
электрона атома совпадает с уровнем Ферми металла. С одной стороны, при повышении напряженности электрического поля данное расстояние 
уменьшается, а значит, уменьшается соответствующая ширина потенциального барьера и возрастает вероятность ионизации. С другой стороны, при 
увеличении расстояния от поверхности уровень 
энергии электрона в атоме окажется выше энергии 
электрона в вакууме, а значит, при туннелировании электрон будет переходить на уровни в вакууме, а не в металле. В этом случае прозрачность потенциального барьера зависит только от напряженности электрического поля, но не от расстояния до 
поверхности.
Расчетные значения прозрачности барьера в зависимости от расстояния до поверхности приведены на рис. 3б при нескольких значениях напряженности электрического поля. Из рисунка видно, что 
максимальная прозрачность барьера достигается 
в узкой области расстояний и падает примерно на 
порядок при увеличении расстояния до поверхности на 1 Å, именно в этой области наиболее эффективно происходит ионизация. Увеличение напряженности электрического поля в 3 раза приводит 
к увеличению прозрачности барьера более чем на 
10 порядков.
Исходя из сказанного выше можно прийти 
к выводу, что повышением напряженности электрического поля можно добиться сколь угодно 
большого ионного тока, но не стоит забывать, что 
само металлическое острие может разрушиться под 
действием полевой десорбции атомов металла.
Из рис. 3б понятно, что размеры области эффективной ионизации увеличиваются при росте 
напряжения, приложенного к острию. Ионизация может происходить уже не только вблизи некоторых выступающих атомов, но и на расстояниях больше межатомного, так что отдельные атомы 
острия уже не являются обособленными точечными источниками, а автоионное изображение 
острия смазывается. В связи с этим в автоионной 
микроскопии было введено понятие “поле наилучшего изображения”, под которым подразумевают 
напряженность электрического поля, при которой 
достигают наилучшего разрешения изображения 
поверхности острия. Эта напряженность поля характерна для каждого газа [26]. На практике чаще 
используют понятие “напряжение наилучшего 
изображения” (Best Image Voltage, BIV), поскольку 
экспериментально измеряют приложенное напряжение, а не напряженность электрического поля. 
Очевидно, что напряжение наилучшего изображения зависит не только от используемого газа, но 
и от радиуса кривизны острия. Для одноатомного источника, т. 
е. острия с одиночным атомом на 
вершине, напряжением наилучшего изображения 
можно считать напряжение, при котором достигается максимальная плотность тока ионов, т. 
е. минимальное размытие изображения атома в режиме 
автоионного проектора [44]. Именно это напряжение является рабочим напряжением газовых автоионных источников в системах со сфокусированным ионным пучком.
Рассмотрим подробнее процесс попадания 
атомов в область с высокой вероятностью ионизации. Первоначально можно предположить, что 
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ 
том 69 
№ 1 
2024