Voorbereiding van een Celadonite elektronen bron en het schatten van de helderheid
Summary
Het artikel presenteert een protocol om een celadonietbron voor te bereiden en de helderheid ervan te schatten voor gebruik in een lange-afstands beeldvormings arme elektron point-source projectie Microscoop.
Abstract
De hier beschreven elektron celadonietbron presteert goed in een laag-energetische elektronen puntbron projectie Microscoop in beeldvorming met lange afstand. Het presenteert grote voordelen in vergelijking met scherpe metalen tips. De robuustheid biedt een levensduur van maanden en kan worden gebruikt onder relatief hoge druk. Het Celadoniet kristal wordt afgezet op de Apex van een koolstofvezel, onderhouden zich in een coaxiale structuur die zorgt voor een sferische bundel vorm en eenvoudige mechanische positionering om de bron, het object en de elektron-optische systeemas uit te lijnen. Er is een enkele kristal depositie via het genereren van Celadoniet-bevattende waterdruppels met een micro pipet. Scanning elektronenmicroscopie observatie kan worden uitgevoerd om de depositie te controleren. Dit voegt echter stappen toe en verhoogt daardoor het risico op beschadiging van de bron. Dus na bereiding wordt de bron meestal direct onder vacuüm in de projectie Microscoop ingebracht. Een eerste hoogspannings toevoer zorgt voor de kick-off die nodig is om de elektronen emissie te starten. Vervolgens wordt het veld emissie proces gemeten: het is al waargenomen voor tientallen elektronen bronnen die op deze manier zijn bereid. De helderheid wordt ondergeschat door een overschatting van de bron grootte, intensiteit bij één energie en kegel hoek gemeten in een projectiesysteem.
Introduction
Metaal/isolator constructies gebruikt voor elektronen emissie zijn bestudeerd voor bijna 20 jaar vanwege hun lage macroscopische veld1. Het betrokken elektrische veld is slechts van de orde van sommige v/μm2,3,4, in tegenstelling tot de v/nm die nodig is voor klassieke veld emissie met scherpe metalen uiteinden5,6,7. Dit verklaart waarschijnlijk de start van plasma lozingen die zo nuttig zijn in elektronen bron technologieën. Enkele jaren geleden hebben we geprobeerd om deze lage veld emissie te verkennen door het storten van films van natuurlijke isolatoren op elektronen transmissie Carbon lagen8. Celadonite, een isolator mineraal gevonden in het basalt van de Parana vallen in de mijnen van Ametista di Sul in Brazilië, werd gekozen.
Wanneer Celadoniet gemalen is, is de kristal vorm een rechthoekige plaat met Micrometrische afmetingen en een dikte van minder dan 100 nm (typisch: 1.000 nm x 500 nm x 50 nm). Het is perfect plat en herkenbaar in Scanning elektronenmicroscopie (Figuur 1). De film wordt gevormd door afzetting van een Celadoniet-bevattende waterdruppel op de koolstoflaag. Naarmate de toegepaste spanning toeneemt, zendt hij elektronen na een regime van Fowler-Nordheim met intensiteit verzadiging voor de hoogste spanningen. Een onderzoek met behulp van een diafragma in een projectiesysteem toonde aan dat één emitter een punt-achtige bron9is. Het gebruik van deze grote film met een diafragma om de bron te selecteren, heeft echter niet het potentieel van de puntbron benut. De punt-bronnen die gewoonlijk worden gebruikt in de laag-energetische elektronen punt-bron projectie microscopie maken een bron-naar-object afstand van ongeveer 100 nm mogelijk. Echter, een dergelijke bron-naar-object afstand zou uit de vraag met een film. Een manier vinden om een kristal te isoleren om iets te kunnen verplaatsen naar deze elektron bron was een uitdaging. Onze oplossing was eerst, om een 10 μm koolstofvezel te gebruiken: het storten van de druppel aan de top van de vezel beperkt noodzakelijkerwijs het aantal Celadoniet kristallen. Ten tweede hebben we besloten om de druppelgrootte te beperken: een micro pipet met een uiteinde van ongeveer 5 μm wordt gevuld met Celadoniet-bevattende water en de druk wordt toegepast bij de ingang van de micro pipet om een kleine druppel te maken om de top van de vezel te Bevochtig. Het protocol Details van de volledige bron voorbereidingsproces.
De resulterende bron is een coaxiale puntbron die een goede uitlijning mogelijk maakt tussen de bron, het object en het elektron optisch systeem10. Omdat de diameter van 10 μm nog breder is dan ultrascherpe uiteinden, is de bron-naar-object afstand beperkt tot enkele tientallen micrometers. We hebben echter onlangs laten zien dat de celadonite bron emitter gecombineerd met een Einzel lens presteert in vergelijking met een klassieke punt-bron projectie Microscoop. De lange-afstand-beeldvorming die zo toegankelijk is gemaakt, beperkt zelfs het charge-effect11 op het object en de beeldvervormingen die betrokken zijn op12,13. De celadonite-bron presenteert ook grote voordelen in vergelijking met scherpe metalen uiteinden. Het is robuust: de punt-bron is onder het kristal en dus beschermd tegen sputteren. De bron kan onder relatief hoge drukwerken: het werd gedurende enkele minuten getest bij 10-2 mbar. Toch blijft zijn levensduur en stabiliteit afhankelijk van de juiste vacuüm condities. Meestal gebruiken we de Celadoniet bron bij 10-8 mbar en krijgen ze een levensduur van maanden.
Dit artikel is bedoeld om te helpen al diegenen die willen de celadonite bron gebruiken om een coherente elektronenstraal te produceren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol is niet essentieel omdat de geometrie van de bron op een microscopische schaal verandert van de ene bron naar de andere. Het probleem is dat, aangezien een koolstofvezel broos is, het snijden kan leiden tot een ongepaste lengte. Een adequate lengte is ongeveer 500 μm; de microscopische vorm van de snede is niet cruciaal. De kritieke stap is het hebben van een zeer klein aantal kristallen (idealiter één) afgezet op de Apex van een geleidende draad. Aanpassing van de kristal concentratie met het gestorte vo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Marjorie Sweetko graag bedanken voor het verbeteren van het Engels van dit artikel.
Materials
| Carbon fiber filament | Goodfellow | C 005711 | |
| Carbon fiber filament | Mitsubishi Chemical | DIALEAD | |
| Carbon fiber filament | Solvay | THORNEL P25 | |
| Carbon fiber filament | Zoltek | PX35 Continuous Tow | |
| Celadonite | Verona Green earth / pigment | ||
| Dual-stage microchannel plate and fluorescent screen assembly | Hamamatsu | F2225-21S | |
| Flow controller | Elveflow | OB1 | |
| Machinable glass ceramic | Macor | ||
| Micropipette Puller | Sutter Instruments | P2000 | |
| Piezo-electric actuators | Mechonics | MS30 | |
| Quartz capillary | Sutter Instrument | B100-75-15 | |
| Silver Lacquer | DODUCO GmbH | AUROMAL 38 | |
| Ultrasonic processor | Hielscher / sonotrode MS3 | UP50H |
References
- Forbes, R. G. Low-macroscopic-field electron emission from carbon films and other electrically nanostructured heterogeneous materials: hypotheses about emission mechanism. Solid-State Electronics. 45, 779-808 (2001).
- Wang, C., Garcia, A., Ingram, D. C., Lake, M., Kordesch, M. E. Cold field emission from CVD diamond films observed in emission electron microscopy. Electronics Letters. 27, 1459 (1991).
- Okano, K., Koizumi, S., Ravi, S., Silva, P., Amaratunga, G. Low-threshold cold cathodes made of nitrogen-doped chemical-vapour-deposited diamond. Nature. 381, 140-141 (1996).
- Geis, M. W., et al. A new surface electron-emission mechanism in diamond cathodes. Nature. 393, 431-435 (1998).
- Horch, S., Morin, R. Field emission from atomic size sources. Journal of Applied Physics. 74 (6), 3652-3657 (1993).
- Muller, H. U., Volkel, B., Hofmann, M., Woll, C., Grunze, M. Emission properties of electron point sources. Ultramicroscopy. 50 (1), 57-64 (1993).
- Qian, W., Scheinfein, M. R., Spence, J. C. H. Brightness measurements of nanometer-sized field-emission-electron sources. Journal of Applied Physics. 73 (11), 7041-7045 (1993).
- Rech, J. e. m., Grauby, O., Morin, R. Low-voltage electron emission from mineral films. Journal of Vacuum Science & Technology B. 20 (1), 5-9 (2002).
- Daineche, R., Degiovanni, A., Grauby, O., Morin, R. Source of low-energy coherent electron beams. Applied Physics Letters. 88, 023101 (2006).
- Salançon, E., Daineche, R., Grauby, O., Morin, R. Single mineral particle makes an electron point source. Journal of Vacuum Science & Technology B. 33, 030601 (2015).
- Prigent, M., Morin, P. Charge effect in point projection images of Ni nanowires and I collagen fibres. Journal of Physics D: Applied Physics. 34 (8), 1167-1177 (2001).
- Salançon, E., Degiovanni, A., Lapena, L., Lagaize, M., Morin, R. A low-energy electron point-source projection microscope not using a sharp metal tip performs well in long-range imaging. Ultramicroscopy. 200, 125-131 (2019).
- Salançon, E., Degiovanni, A., Lapena, L., Morin, R. High spatial resolution detection of low-energy electrons using an event-counting method, application to point projection microscopy. Review of Scientific Instruments. 89, 043301 (2018).
- Swanson, L. W., Crouser, L. C. Total-Energy Distribution of Field-Emitted Electrons and Single-Plane Work Functions for Tungsten. Physical Review. 163, 622 (1967).
