Fonte de elétronsFonte de elétrons

São dois os tipos de fonte de elétrons utilizados em MET(No aparelho a construção dessas duas fontes recebe o nome de “canhão de elétrons”)

Termoiônica – produz elétrons quando aquecidaR$

Emissão de campo – produz elétrons quando é aplicada um intenso campo elétrico

R$ , monocromática, > intensidade

Fonte de elétronsFonte de elétrons

Gláucio atenção = O eV é uma unidade de medida de energia Equivale a 1,602 177 33 (49) x 10–19 J. Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um único elétron quando é acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt, no vácuo.

Termoiônica – quando um material é aquecido em temperaturas suficientemente altas transmite aos elétrons suficiente energia para superar a barreira (φ) e liberá-los.

No MET queremos a geração de uma elevada densidade de corrente, dada por:

J=AT2e- φ/kT , (Richardson’s Law)J densidade de corrente gerada (A/m2)A Constante de Richardson (A/m2k2)T Temperatura (K)Φ Energia para liberação do elétron, barreira de energia (eV)K Constante de Boltzmann (eV/K)

A equação mostra que a nossa única variável para uma determinada fonte é a T. Terá que ser suficientemente alta para “prover” ao elétron energia superior a Φ

Fonte de elétronsFonte de elétronsNas condições descritas pela equação de Richardson, a maioria dos materiais iria fundir ou vaporizar. Solução:

- ou materiais com alto ponto de fusãofilamento de tungstênio (3660K) (dura 100h de operação)

filamento fio com 0,1mm, na forma de V (hairpin), ou apontados (W hairpin – pointed W)

- ou materiais com baixa barreira de energia para liberar elétrons (função de trabalho)

hexaboreto de Lantânio (LaB6) (dura 500h de operação)catodo, cristais (filamento) com orientação <110>

Filamento Φ (eV) A (A/m2K2)

T operação (K)

J (A/m2) Vácuo (Torr)

E espalhamento (eV)

W 4,5 6x10-5 2700 5x104 10-2 3

LaB6 2,4 4x10-5 1700 106 10-4 1,5

Fonte de elétronsFonte de elétronsEmissão de campo = baseado no princípio que o campo elétrico é consideravelmente elevado em pontas agudas. (needle shape)

E = V/rCom uma ponta de W com r < 0,1μm com uma diferença de potencial de 1kV, E = 106 V/m – abaixa φ suficientemente para emitir elétrons.(ponta do monocristal de W com <310>

Para emitir a ponta tem que ser obviamente livre de contaminação e óxidos, só conseguido em UHV(ultra high vaccum) e emissão a frio.

Filamento Φ (eV) A (A/m2K2)

T operação (K)

J (A/m2) Vácuo (Torr)

E espalhamento (eV)

W 4,5 6x10-5 2700 5x104 10-2 3

LaB6 2,4 4x10-5 1700 106 10-4 1,5

Emissão de campo

4,5 - 300 1010 10-8 0,3

Brilho – é a densidade de corrente (número de elétrons por unidade de área por unidade de tempo) por unidade de ângulo sólido da fonte (que depende da construção do canhão).

Dessa forma o brilho é critico quando se necessita um feixe fino no conceito de uma configuração analítica.

É menos importante para a operação convencional embora continue relevante para a observação da imagem na tela e para a obtenção de imagens de difração. (Determina o quão fácil é

observar a imagem e a difração e determina o tempo de exposição) É definido por que é dependente de do (diâmetro do feixe), Ic

(corrente de emissão) e do 0 (semi-ângulo do feixe)

O que eu quero de uma fonte de elétronsO que eu quero de uma fonte de elétronsTermos conhecidos que têm significado específico na terminologia do Termos conhecidos que têm significado específico na terminologia do TEMTEMBrilho, Coerência e Estabilidade.Brilho, Coerência e Estabilidade.

= 4ie/(πd00)2 (Am-2sr-1)

Como ie varia com a voltagem de aceleração, é diretamente dependente dessa característica – um dos fatores para o desenvolvimento dos 300-400kV MET

Será visto mais tarde

Maior , mais informação (“mais elétrons estão no feixe”), porém maior o dano transmitido a amostra.

Filamento Brilho para 100 kV Am-2sr-1

W 109

LaB6 5x1010

Emissão 1013

Coerência – o quão os elétron então em fase uns com os outros. (Luz visível é umafonte tipicamente incoerente onde os fotons apresentam uma faixa de comprimentosde onda – cores). O feixe que nos interessa deve ter o mesmo comprimento de onda(como a luz monocromática)

λc = vh/∆E,λc coerência temporal, o quanto o feixe é coerentev velocidade do elétronh constante de Planck∆E energia de espalhamento

Dessa forma é requisito para o MET ter um fornecimento de alta voltagem super estável. (tradicionalmente conhecido como tanque de alta tensão) para ter um pequeno ∆E e assim ter um feixe com comprimento de onda bem definido.

Filamento ∆E (eV)

W 3

LaB6 1,5

Emissão 0,3

Por outro lado tem-se que considerar a coerência espacial – relacionado com o tamanho da fonte (a perfeição seria se todos os elétrons emanassem de um único ponto). Menores fontes têm feixes com maior coerência.

dc = λ/2,dc tamanho efetivo da fonte,(está em primeira instância relacionado com o tipo da fonte)λ comprimento de onda do elétron, (menor abertura da condensadora, menor ) ângulo definido entre a fonte e a amostra

Canhão de elétronsCanhão de elétrons - - Termoiônico

catodo

anodo

Cabo de alta tensão

Gera o bean current

Quando o elétron deixa o catodo ele tem um potencial negativo de (p/exp) 100kV em relação ao anodo aterrado, é acelerado e adquire uma energia de 100 eV e uma velocidade próxima a 0,5c

Para controlar a passagem de elétrons através da abertura se aplica uma pequena corrente negativa (sincronizada com o bean current - ) de polarização (é a primeira “lente” do microscópio) formando um “cruzamento”, cross over.

saturação

Otimização do brilhoOtimização do brilho = 4ie/(πd00)2

do muito grande

Não ocorre emissão

W

LaB6

Operação mais cuidadosa, no aquecimento e resfriamento e utilização sub-saturado

Condições de operação para < 0,1μm

Canhão de elétronsCanhão de elétrons – – emissão de campo (FEG)

Positivamente carregado – voltagem de extração

Acelerado pela aplicação de uma diferença de potencial em relação ao primeiro

Opera ainda com uma combinação de lentes magnéticas (gun lens) para a obtenção de feixes mais controlados e maior