Préparation d'une source d'électron sédonite et estimation de sa luminosité

Les structures métalliques/isolants utilisées pour l’émission d’électrons ont été étudiées pendant près de 20 ans en raison de leur champ macroscopique faible¹. Le champ électrique en cause n’est que de l’ordre de certains V / m^2,3,4, contrairement à la V / nm nécessaire pour l’émission de champ classique avec des pointes métalliques pointues^5,6,7. Cela explique probablement les décharges de plasma de départ qui sont si utiles dans les technologies de source d’électrons. Il y a quelques années, nous avons cherché à explorer cette faible émission de champ en déposant des films d’isolateurs naturels sur les couches de carbone de transmission d’électrons⁸. Celadonite, un minéral isolant trouvé dans le basalte des pièges Parana dans les mines d’Ametista di Sul au Brésil, a été choisi.

Lorsque la cécédonite est moulue, la forme cristalline est une dalle rectangulaire avec des dimensions micrométriques et une épaisseur inférieure à 100 nm (généralement: 1000 nm x 500 nm x 50 nm). Il est parfaitement plat et reconnaissable dans la microscopie électronique à balayage (Figure 1). Le film est formé par dépôt d’une goutte lette d’eau contenant de la céladonite sur la couche de carbone. À mesure que la tension appliquée augmente, il émet des électrons suivant un régime De Fowler-Nordheim avec une saturation d’intensité pour les tensions les plus élevées. Une étude utilisant un diaphragme dans un système de projection a montré qu’un émetteur est une source de^{point-like 9}. Cependant, l’utilisation de ce grand film avec un diaphragme pour sélectionner la source n’a pas exploité le potentiel de la source ponctuelle. Par exemple, les sources ponctuelles couramment utilisées dans la microscopie de projection à faible source d’électrons permettent une distance source-objet d’environ 100 nm. Cependant, une telle distance source-objet serait hors de question avec un film. Trouver un moyen d’isoler un cristal afin de pouvoir déplacer quelque chose vers cette source d’électrons était un défi. Notre solution a d’abord été d’utiliser une fibre de carbone de 10 m : le dépôt de la gouttelette au sommet de la fibre limite nécessairement le nombre de cristaux de céladonite. Deuxièmement, nous avons décidé de limiter la taille des gouttelettes : une micropipette avec une extrémité d’environ 5 m est remplie d’eau contenant de la céladonite et une pression est appliquée à l’entrée de la micropipette pour créer une petite goutte pour mouiller l’apex de la fibre. Le protocole détaille le processus complet de préparation des sources.

La source résultante est une source de point coaxiale permettant un bon alignement entre la source, l’objet et le système optique électronique¹⁰. Étant donné que son diamètre de 10 m est encore plus large que les pointes ultra-pointues, la distance source-objet est limitée à quelques dizaines de micromètres. Cependant, nous avons récemment montré que l’émetteur de source de céladonite combiné avec une lentille Einzel effectue comparable à un microscope classique de projection point-source. L’imagerie à longue portée ainsi rendue accessible limite même l’effet de charge¹¹ sur l’objet et les distorsions d’image impliquées^12,13. La source de céladonite présente également des avantages majeurs par rapport aux pointes métalliques pointues. Il est robuste : la source de points est sous le cristal et donc protégée contre les pulvérisations. La source peut fonctionner sous une pression relativement élevée : elle a été testée à^10-2 mbar pendant quelques minutes. Pourtant, sa durée de vie et sa stabilité restent dépendantes des bonnes conditions de vide. Nous employons habituellement la source de céladonite à^10-8 mbar et obtenons une durée de vie de mois.

Cet article est destiné à aider tous ceux qui souhaitent utiliser la source céladonite pour produire un faisceau d’électrons cohérent.