הכנת מקור אלקטרוני לצ ואומדן הבהירות שלה
Summary
המאמר מציג פרוטוקול להכין מקור הצ ולאמוד את הבהירות שלו לשימוש בהדמיה ארוכת טווח של הדמיה באמצעות מיקרוסקופ נקודה-מקור ההקרנה באמצעות אלקטרון.
Abstract
המקור האלקטרוני הנמצא כאן מופיע היטב במיקרוסקופ הקרנת מקור באנרגיה נמוכה באמצעות אלקטרון בטווח ארוך. הוא מציג יתרונות גדולים לעומת טיפים חדים מתכת. החוסן מעניק לאורך חיים של חודשים וניתן להשתמש בה תחת לחץ גבוה יחסית. גביש הצ מופקד בקודקוד סיבי פחמן, ומתוחזק על עצמו במבנה קואקסיאלי המבטיח צורת קרן כדורית ומיקום מכני קל כדי ליישר את המקור, את העצם ואת ציר המערכת האלקטרונים-אופטיים. יש התצהיר גביש אחד באמצעות הדור של הקלדניט המכיל טיפות מים עם מיקרופיפטה. ניתן לבצע סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני. כדי לאמת את התצהיר עם זאת, פעולה זו מוסיפה צעדים ולכן מגבירה את הסיכון לפגיעה במקור. לפיכך, לאחר ההכנה, המקור מוכנס בדרך כלל ישירות תחת ואקום במיקרוסקופ ההקרנה. אספקת מתח גבוה ראשונה מספקת את הבעיטה הדרושה כדי להפעיל את פליטת האלקטרונים. תהליך פליטת השדה המעורב נמדד לאחר מכן: הוא כבר נצפה בעשרות מקורות אלקטרונים שהוכנו בדרך זו. הבהירות היא תחת המשוער באמצעות הערכה מעל של גודל המקור, עוצמה באנרגיה אחת זווית חרוט נמדד במערכת הקרנה.
Introduction
מבני מתכת/בידוד המשמשים לפליטת אלקטרון נחקרו במשך כמעט 20 שנה בשל השדה המקסקופי הנמוך שלהם1. השדה החשמלי המעורב הוא רק של הסדר של מספר v/μm2,3,4, בניגוד ל-v/a הנדרש עבור פליטת שדה קלאסי עם טיפים חדים מתכת5,6,7. זה כנראה מסביר את הפעלת פלזמה המתחיל כי הם כל כך שימושיים בטכנולוגיות מקור אלקטרונים. לפני כמה שנים, ביקשו לחקור את פליטת השדה הנמוכה הזו על ידי הפקדת סרטים של מבודד טבעי על שכבות הפחמן שידור אלקטרונים8. Celadonite, מינרל מבודד שנמצא בבזלת של מלכודות Parana במכרות של Ametista di Sul בברזיל, נבחר.
כאשר סלדוניט הוא הקרקע, הצורה גביש הוא לוח מלבני עם מידות מיקרומטר מד עובי של פחות מ 100 ננומטר (בדרך כלל: 1,000 ננומטר x 500 nm x 50 nm). היא שטוחה לחלוטין ומוכרת בסריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (איור 1). הסרט נוצר על ידי הפקדת משקה מסוג droplet מים על שכבת הפחמן. כפי שעולה מתח, הוא פולט אלקטרונים בעקבות משטר של פאולר-נורהיים עם רוויה בעוצמה במתח הגבוה ביותר. מחקר המשתמש בסרעפת במערכת הקרנה הראה כי פולט אחד הוא מקור הנקודה הדומה9. עם זאת, באמצעות הסרט הגדול הזה עם הסרעפת כדי לבחור את המקור לא לנצל את הפוטנציאל של מקור נקודת. לדוגמה, מקורות הנקודה בדרך כלל בשימוש במיקרוסקופיה של האנרגיה הנמוכה בעלת נקודת המקור של אלקטרון, מאפשרים מרחק ממקור לאובייקט של כ 100 ננומטר. עם זאת, מרחק כזה של מקור לאובייקט יהיה מחוץ לשאלה עם סרט. למצוא דרך לבודד גביש אחד כדי להיות מסוגל להעביר משהו לעבר מקור האלקטרונים הזה היה אתגר. הפתרון שלנו היה הראשון, להשתמש בסיבי פחמן של 10 יקרומטר: הפקדת ה-droplet בקודקוד הסיבים בהכרח מגבילה את מספר הקריסטלים הסלדוניט. שנית, החלטנו להגביל את גודל ה-droplet: מיקרופיפטה עם קצה קצה של כ-5 יקרומטר מתמלא במים ובלחץ מוחל בכניסה למיקרופיפטה כדי ליצור טיפה קטנה כדי להרטיב את קודקוד הסיבים. הפרוטוקול מפרט את תהליך ההכנה של המקור המלא.
המקור המתקבל הוא נקודת מקור קואקסיאליים המאפשר יישור טוב בין המקור, האובייקט והמערכת האופטית של האלקטרונים10. מכיוון שלה בקוטר 10 יקרומטר עדיין רחב יותר מאשר טיפים חדים במיוחד, מרחק מקור לאובייקט מוגבל כמה עשרות מיקרומטר. עם זאת, לאחרונה הראינו כי פולט מקור הצ בשילוב עם עדשת האייזל מבצעת זהובה למיקרוסקופ קלאסי של מקור נקודת ההקרנה. ההדמיה ארוכת הטווח ובכך הפכה לנגישה אף מגבילה את אפקט הטעינה11 על האובייקט ועיוותים בתמונה המעורבים12,13. מקור הצ מציג גם יתרונות עיקריים בהשוואה לטיפים חדים ממתכת. היא חזקה: מקור הנקודה הוא מתחת לגביש ולכן מוגן מפני התזה. המקור יכול לפעול תחת לחץ גבוה יחסית: הוא נבדק על 10-2 mbar במהלך כמה דקות. עם זאת, חייה ויציבותו נשארים תלויים בתנאי הוואקום הנכונים. אנחנו בדרך כלל מעסיקים את מקור הצ ב 10-8 mbar ולקבל חיים של חודשים.
מאמר זה נועד לסייע לכל מי שמעוניין להשתמש במקור הצ כדי לייצר קרן אלקטרונים קוהרנטית.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה אינו קריטי מאחר שהגיאומטריה של המקור בקנה מידה מיקרוסקופי משתנה ממקור אחד לאחר. הקושי הוא כי מאז סיבי פחמן הוא שביר, החיתוך שלה יכול להוביל לאורך בלתי הולם. אורך הולם הוא כ 500 μm; הצורה המיקרוסקופית של החתך אינה חיונית. הצעד הקריטי הוא להיות בעל מספר קטן מאוד של גבישים (באופן אידי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות למרג מסוויקו לשיפור האנגלית של מאמר זה.
Materials
| Carbon fiber filament | Goodfellow | C 005711 | |
| Carbon fiber filament | Mitsubishi Chemical | DIALEAD | |
| Carbon fiber filament | Solvay | THORNEL P25 | |
| Carbon fiber filament | Zoltek | PX35 Continuous Tow | |
| Celadonite | Verona Green earth / pigment | ||
| Dual-stage microchannel plate and fluorescent screen assembly | Hamamatsu | F2225-21S | |
| Flow controller | Elveflow | OB1 | |
| Machinable glass ceramic | Macor | ||
| Micropipette Puller | Sutter Instruments | P2000 | |
| Piezo-electric actuators | Mechonics | MS30 | |
| Quartz capillary | Sutter Instrument | B100-75-15 | |
| Silver Lacquer | DODUCO GmbH | AUROMAL 38 | |
| Ultrasonic processor | Hielscher / sonotrode MS3 | UP50H |
References
- Forbes, R. G. Low-macroscopic-field electron emission from carbon films and other electrically nanostructured heterogeneous materials: hypotheses about emission mechanism. Solid-State Electronics. 45, 779-808 (2001).
- Wang, C., Garcia, A., Ingram, D. C., Lake, M., Kordesch, M. E. Cold field emission from CVD diamond films observed in emission electron microscopy. Electronics Letters. 27, 1459 (1991).
- Okano, K., Koizumi, S., Ravi, S., Silva, P., Amaratunga, G. Low-threshold cold cathodes made of nitrogen-doped chemical-vapour-deposited diamond. Nature. 381, 140-141 (1996).
- Geis, M. W., et al. A new surface electron-emission mechanism in diamond cathodes. Nature. 393, 431-435 (1998).
- Horch, S., Morin, R. Field emission from atomic size sources. Journal of Applied Physics. 74 (6), 3652-3657 (1993).
- Muller, H. U., Volkel, B., Hofmann, M., Woll, C., Grunze, M. Emission properties of electron point sources. Ultramicroscopy. 50 (1), 57-64 (1993).
- Qian, W., Scheinfein, M. R., Spence, J. C. H. Brightness measurements of nanometer-sized field-emission-electron sources. Journal of Applied Physics. 73 (11), 7041-7045 (1993).
- Rech, J. e. m., Grauby, O., Morin, R. Low-voltage electron emission from mineral films. Journal of Vacuum Science & Technology B. 20 (1), 5-9 (2002).
- Daineche, R., Degiovanni, A., Grauby, O., Morin, R. Source of low-energy coherent electron beams. Applied Physics Letters. 88, 023101 (2006).
- Salançon, E., Daineche, R., Grauby, O., Morin, R. Single mineral particle makes an electron point source. Journal of Vacuum Science & Technology B. 33, 030601 (2015).
- Prigent, M., Morin, P. Charge effect in point projection images of Ni nanowires and I collagen fibres. Journal of Physics D: Applied Physics. 34 (8), 1167-1177 (2001).
- Salançon, E., Degiovanni, A., Lapena, L., Lagaize, M., Morin, R. A low-energy electron point-source projection microscope not using a sharp metal tip performs well in long-range imaging. Ultramicroscopy. 200, 125-131 (2019).
- Salançon, E., Degiovanni, A., Lapena, L., Morin, R. High spatial resolution detection of low-energy electrons using an event-counting method, application to point projection microscopy. Review of Scientific Instruments. 89, 043301 (2018).
- Swanson, L. W., Crouser, L. C. Total-Energy Distribution of Field-Emitted Electrons and Single-Plane Work Functions for Tungsten. Physical Review. 163, 622 (1967).
