Preparar una fuente de electrones de celadonita y estimar su brillo

Las estructuras metálicas/aislantes utilizadas para la emisión de electrones se han estudiado durante casi 20 años debido a su bajo campo macroscópico¹. El campo eléctrico implicado es sólo del orden de algunos V / m^2,3,4, en contraste con el V / nm requerido para la emisión de campo clásico con puntas metálicas afiladas^5,6,7. Esto probablemente explica las descargas plasmáticas iniciales que son tan útiles en las tecnologías de fuente de electrones. Hace algunos años, buscamos explorar esta baja emisión de campo mediante el depósito de películas de aislantes naturales en las capas de carbono de transmisión de electrones⁸. Celadonita, un mineral aislante encontrado en el basalto de las Trampas paraná en las minas de Ametista di Sul en Brasil, fue elegido.

Cuando la celadonita es molida, la forma cristalina es una losa rectangular con dimensiones micrométricas y un espesor de menos de 100 nm (normalmente: 1.000 nm x 500 nm x 50 nm). Es perfectamente plana y reconocible en el escaneo de microscopía electrónica(Figura 1). La película está formada por la deposición de una gota de agua que contiene celadonita en la capa de carbono. A medida que aumenta la tensión aplicada, emite electrones siguiendo un régimen de Fowler-Nordheim con saturación de intensidad para los voltajes más altos. Un estudio con un diafragma en un sistema de proyección mostró que un emisor es una fuente puntual^9. Sin embargo, el uso de esta película grande con un diafragma para seleccionar la fuente no explotó el potencial de la fuente de puntos. Por ejemplo, las fuentes puntuales comúnmente utilizadas en la microscopía de proyección de referencia de punto de electrones de baja energía permiten una distancia de fuente a objeto de aproximadamente 100 nm. Sin embargo, esa distancia de origen a objeto estaría fuera de la cuestión con una película. Encontrar una manera de aislar un cristal para poder mover algo hacia esta fuente de electrones fue un desafío. Nuestra solución fue en primer lugar, utilizar una fibra de carbono de 10 m: depositar la gota en el ápice de la fibra limita necesariamente el número de cristales de celadonita. En segundo lugar, decidimos limitar el tamaño de las gotas: una micropipeta con un extremo de punta de unos 5 m está llena de agua que contiene celadonita y la presión se aplica en la entrada de la micropipeta para crear una pequeña gota para mojar el ápice de la fibra. El protocolo detalla el proceso completo de preparación de la fuente.

La fuente resultante es una fuente de punto coaxial que permite una buena alineación entre la fuente, el objeto y el sistema óptico de electrones¹⁰. Debido a que su diámetro de 10 m es todavía más ancho que las puntas ultra-nítidas, la distancia de origen a objeto está limitada a unas decenas de micrómetros. Sin embargo, recientemente mostramos que el emisor de fuente de celadonita combinado con una lente Einzel funciona de manera comparable a un microscopio clásico de proyección de fuente puntual. Las imágenes de largo alcance así accesibles limitan incluso el efecto de carga¹¹ en el objeto y las distorsiones de imagen implicadas^12,13. La fuente de celadonita también presenta grandes ventajas en comparación con las puntas metálicas afiladas. Es robusto: la fuente de puntos está bajo el cristal y por lo tanto protegida contra el sputtering. La fuente puede funcionar bajo una presión relativamente alta: se probó a 10^-2 mbar durante algunos minutos. Sin embargo, su vida útil y su estabilidad siguen dependiendo de las condiciones de vacío adecuadas. Usualmente empleamos la fuente de celadonita a 10^-8 mbar y obtenemos una vida útil de meses.

Este artículo está destinado a ayudar a todos aquellos que deseen utilizar la fuente de celadonita para producir un haz de electrones coherente.