Preparando uma fonte de elétrons celadonitas e estimando seu brilho

Estruturas de metal/isolante utilizadas para emissão de elétrons têm sido estudadas por quase 20 anos devido ao seu baixo campo macroscópico^1. O campo elétrico envolvido é apenas da ordem de alguns V/μm^2,3,4,em contraste com o V/nm necessário para emissão de campo clássico com pontas de metal^{afiadas 5,6,7}. Isso provavelmente explica as descargas de plasma inicial que são tão úteis em tecnologias de origem eletrônica. Alguns anos atrás, procuramos explorar esta baixa emissão de campo adepositando filmes de isoladores naturais em camadas de carbono de transmissão de elétrons⁸. Celadonite, um mineral isolante encontrado no basalto das Armadilhas do Paraná nas minas de Ametista di Sul no Brasil, foi escolhido.

Quando a celadonita é moída, a forma cristalina é uma laje retangular com dimensões micrométricas e uma espessura inferior a 100 nm (normalmente: 1.000 nm x 500 nm x 50 nm). É perfeitamente plana e reconhecível na microscopia eletrônica de varredura (Figura 1). O filme é formado pela deposição de uma gota de água contendo celadonita na camada de carbono. À medida que a tensão aplicada aumenta, ela emite elétrons seguindo um regime de Fowler-Nordheim com saturação de intensidade para as tensões mais altas. Um estudo usando um diafragma em um sistema de projeção mostrou que um emissor é uma fonte semelhante a um ponto⁹. No entanto, usando este grande filme com um diafragma para selecionar a fonte não explorou o potencial da fonte de ponto. Por exemplo, as fontes pontuais comumente usadas na microscopia de projeção de ponta de ponta de elétrons de baixa energia permitem uma distância de origem a objeto de cerca de 100 nm. No entanto, essa distância de origem a objeto estaria fora de questão com um filme. Encontrar uma maneira de isolar um cristal para ser capaz de mover algo para esta fonte de elétrons foi um desafio. Nossa solução foi primeiro, usar uma fibra de carbono de 10 μm: depositar a gota no ápice da fibra necessariamente limita o número de cristais celadonitas. Em segundo lugar, decidimos limitar o tamanho das gotículas: uma micropipette com uma ponta de cerca de 5 μm é preenchida com água contendo celadonita e a pressão é aplicada na entrada da micropipette para criar uma pequena gota para molhar o ápice da fibra. O protocolo detalha o processo completo de preparação de fontes.

A fonte resultante é uma fonte de ponto coaxial permitindo um bom alinhamento entre a fonte, o objeto e o sistema óptico de elétrons^10. Como seu diâmetro de 10 μm ainda é maior do que as pontas ultraafiadas, a distância de origem a objeto é limitada a algumas dezenas de micrômetros. No entanto, recentemente mostramos que o emissor de fonte celadonite combinado com uma lente Einzel executa comparativamente a um microscópio de projeção de fonte de ponto clássico. As imagens de longo alcance, portanto, tornadas acessíveis, limitam até mesmo o efeito de carga¹¹ no objeto e as distorções de imagem envolveram^12,13. A fonte celadonita também apresenta grandes vantagens em comparação com pontas de metal afiadas. É robusto: a fonte de ponto está o cristal e, portanto, protegida contra o sputtering. A fonte pode operar pressão relativamente alta: foi testada em 10^-2 mbar durante alguns minutos. No entanto, a sua vida e a sua estabilidade continuam a depender das condições de vácuo correctas. Nós geralmente empregamos a fonte celadonita em^10-8 mbar e obter uma vida inteira de meses.

Este artigo destina-se a ajudar todos aqueles que desejam usar a fonte celadonita para produzir um feixe de elétrons coerente.