Preparare una sorgente di elettroni Celadonite e stimarne la luminosità

Le strutture metalliche/isolanti utilizzate per l’emissione di elettroni sono state studiate per quasi 20 anni a causa del loro basso campo macroscopico¹. Il campo elettrico interessato è solo dell’ordine di alcuni V / m^2,3,4, in contrasto con il V/nm richiesto per l’emissione classica di campo con punte metalliche taglienti^5,6,7. Questo probabilmente spiega le scariche di plasma iniziali che sono così utili nelle tecnologie di sorgente elettronica. Alcuni anni fa, abbiamo cercato di esplorare questa bassa emissione di campo depositando pellicole di isolanti naturali su strati di carbonio a trasmissione elettronica⁸. È stata scelta la Celadonite, un minerale isolante trovato nel basalto delle Parana Traps nelle miniere di Ametista di Sul in Brasile.

Quando la celadonite è macinata, la forma del cristallo è una lastra rettangolare con dimensioni micrometriche e uno spessore inferiore a 100 nm (in genere: 1.000 nm x 500 nm x 50 nm). È perfettamente piatta e riconoscibile nella microscopia elettronica a scansione (Figura 1). Il film è formato dalla deposizione di una goccia d’acqua contenente celadonite sullo strato di carbonio. Con l’aumentare della tensione applicata, emette elettroni seguendo un regime Fowler-Nordheim con saturazione di intensità per le tensioni più elevate. Uno studio che utilizza un diaframma in un sistema di proiezione ha mostrato che un emettitore è una fonte puntista⁹. Tuttavia, l’utilizzo di questo grande film con un diaframma per selezionare la fonte non ha sfruttato il potenziale della sorgente di punti. Ad esempio, le sorgenti di punti comunemente utilizzate nella microscopia di proiezione punto-sorgente dell’elettrone a bassa energia consentono una distanza da sorgente a oggetto di circa 100 nm. Tuttavia, una tale distanza da fonte a oggetto sarebbe fuori questione con un film. Trovare un modo per isolare un cristallo in modo da poter spostare qualcosa verso questa fonte di elettroni è stata una sfida. La nostra soluzione è stata la prima, per utilizzare una fibra di carbonio di 10 m: depositare la goccia all’apice della fibra limita necessariamente il numero di cristalli di celadonite. In secondo luogo, abbiamo deciso di limitare la dimensione delle goccioline: una micropipetta con un’estremità di circa 5 m è riempita con acqua contenente celadonite e la pressione viene applicata all’ingresso della micropipetta per creare una piccola goccia per umidare l’apice della fibra. Il protocollo descrive in dettaglio il processo di preparazione dell’origine completa.

La sorgente risultante è una sorgente puntiera coassiale che consente un buon allineamento tra la sorgente, l’oggetto e il sistema ottico elettronico¹⁰. Poiché il suo diametro di 10 m è ancora più largo delle punte ultraaffilate, la distanza da sorgente a oggetto è limitata a qualche decina di micrometri. Tuttavia, abbiamo recentemente dimostrato che l’emettitore di fonte di celadonite combinato con una lente Einzel esegue in modo comparabile a un classico microscopio di proiezione punto-sorgente. L’imaging a lungo raggio così reso accessibile limita anche l’effetto di carica¹¹ sull’oggetto e le distorsioni dell’immagine coinvolte^12,13. La fonte di celadonite presenta anche importanti vantaggi rispetto alle punte metalliche taglienti. È robusto: la sorgente puntina è sotto il cristallo e quindi protetta contro lo sputtering. La sorgente può funzionare sotto pressione relativamente alta: è stata testata a 10^-2 mbar durante alcuni minuti. Eppure la sua durata e la sua stabilità rimangono dipendenti dalle giuste condizioni di vuoto. Di solito impieghiamo la fonte di celadonite a 10^-8 mbar e otteniamo una vita di mesi.

Questo articolo ha lo scopo di aiutare tutti coloro che desiderano utilizzare la fonte di celadonite per produrre un fascio di elettroni coerente.