Vorbereitung einer Celadonit-Elektronenquelle und Schätzung seiner Helligkeit

Metall/Isolatorstrukturen, die für die Elektronenemission verwendet werden, werden aufgrund ihres geringen makroskopischen Feldes¹seit fast 20 Jahren untersucht. Das elektrische Feld ist nur in der Größenordnung von einigen V / m^2,3,4, im Gegensatz zu den V / nm für klassische Feldemission mit scharfen Metallspitzen^5,6,7erforderlich. Dies erklärt wahrscheinlich die beginnenden Plasmaentladungen, die in Elektronenquellentechnologien so nützlich sind. Vor einigen Jahren versuchten wir, diese geringe Feldemission zu erforschen, indem wir Filme natürlicher Isolatoren auf Elektronenübertragungskohlenstoffschichten^{ablagerten 8}. Seladonit, ein Isolator, das im Basalt der Parana-Fallen in den Minen von Ametista di Sul in Brasilien gefunden wurde, wurde ausgewählt.

Wenn Seladonit gemahlen wird, ist die Kristallform eine rechteckige Platte mit mikrometrischen Abmessungen und einer Dicke von weniger als 100 nm (typischerweise: 1.000 nm x 500 nm x 50 nm). Es ist perfekt flach und erkennbar in der Rasterelektronenmikroskopie (Abbildung 1). Der Film wird durch Ablagerung eines celadonithaltigen Wassertröpfchens auf der Kohlenstoffschicht gebildet. Wenn die angelegte Spannung zunimmt, emittiert sie Elektronen nach einem Fowler-Nordheim-Regime mit Intensitätssättigung für die höchsten Spannungen. Eine Studie mit einer Membran in einem Projektionssystem zeigte, dass ein Emitter eine punktähnliche Quelle⁹ist. Die Verwendung dieses großen Films mit einer Membran zur Auswahl der Quelle nutzte jedoch nicht das Potenzial der Punktquelle aus. Beispielsweise ermöglichen die in der Niederenergie-Elektronenpunktprojektionsmikroskopie häufig verwendeten Punktquellen einen Quell-zu-Objekt-Abstand von etwa 100 nm. Eine solche Quell-zu-Objekt-Distanz käme bei einem Film jedoch nicht in Frage. Einen Weg zu finden, einen Kristall zu isolieren, um etwas in Richtung dieser Elektronenquelle bewegen zu können, war eine Herausforderung. Unsere Lösung war zuerst, eine 10 m Große Kohlefaser zu verwenden: Die Ablagerung des Tröpfchens an der Spitze der Faser begrenzt notwendigerweise die Anzahl der Seladonitkristalle. Zweitens haben wir uns entschieden, die Tröpfchengröße zu begrenzen: Eine Mikropipette mit einem Spitzenende von ca. 5 m wird mit celadonithaltigem Wasser gefüllt und am Eingang der Mikropipette wird Druck ausgeübt, um einen kleinen Tropfen zu erzeugen, um die Spitze der Faser zu befeuchten. Das Protokoll beschreibt den vollständigen Quellvorbereitungsprozess.

Die resultierende Quelle ist eine koaxiale Punktquelle, die eine gute Ausrichtung zwischen der Quelle, dem Objekt und dem elektronenoptischen System¹⁰ermöglicht. Da sein Durchmesser von 10 m immer noch breiter ist als die ultrascharfen Spitzen, ist der Quell-Objekt-Abstand auf einige Dutzend Mikrometer begrenzt. Kürzlich haben wir jedoch gezeigt, dass der Seladonit-Quellstrahler in Kombination mit einer Einzel-Linse vergleichbar zu einem klassischen Punkt-Source-Projektionsmikroskop funktioniert. Die so zugänglich gemachte Langzeitbildgebung begrenzt sogar den Ladungseffekt¹¹ auf das Objekt und die damit verbundenen Bildverzerrungen^12,13. Die Seladonitquelle bietet auch große Vorteile im Vergleich zu scharfen Metallspitzen. Sie ist robust: Die Punktquelle befindet sich unter dem Kristall und ist somit vor Sputtern geschützt. Die Quelle kann unter relativ hohem Druck arbeiten: Sie wurde mit 10^-2 mbar während einiger Minuten getestet. Dennoch bleiben seine Lebensdauer und seine Stabilität von den richtigen Vakuumbedingungen abhängig. Wir verwenden in der Regel die Celadonit-Quelle bei 10^-8 mbar und erhalten eine Lebensdauer von Monaten.

Dieser Artikel soll allen helfen, die die Seladonitquelle nutzen möchten, um einen kohärenten Elektronenstrahl zu erzeugen.