Fonte 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”)

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1 Fonte 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 aquecida R$ Emissão de campo – produz elétrons quando é aplicada um intenso campo elétrico R$ , monocromática, > intensidade

2 Fonte de elétrons J=AT2e- φ/kT , (Richardson’s Law)
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 Gláucio atenção = O eV é uma unidade de medida de energia Equivale a 1, (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.

3 Fonte de elétrons Nas condições descritas pela equação de Richardson, a maioria dos materiais iria fundir ou vaporizar. Solução: - ou materiais com alto ponto de fusão filamento 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

4 Fonte de elétrons Emissão de campo = baseado no princípio que o campo elétrico é consideravelmente elevado em pontas agudas. (needle shape) E = V/r Com 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

5 O que eu quero de uma fonte de elétrons
Termos conhecidos que têm significado específico na terminologia do TEM Brilho, Coerência e Estabilidade. 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)

6  = 4ie/(πd00)2 (Am-2sr-1) Como ie varia com a voltagem de aceleração,  é diretamente dependente dessa característica – um dos fatores para o desenvolvimento dos kV 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

7 (como a luz monocromática) λc = vh/∆E,
Coerência – o quão os elétron então em fase uns com os outros. (Luz visível é uma fonte tipicamente incoerente onde os fotons apresentam uma faixa de comprimentos de 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 coerente v velocidade do elétron h 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

8 Canhão de elétrons - Termoiônico
saturação Cabo de alta tensão Gera o bean current 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. catodo anodo 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

9 Otimização do brilho  = 4ie/(πd00)2 Não ocorre emissão
Condições de operação para < 0,1μm Não ocorre emissão do muito grande Operação mais cuidadosa, no aquecimento e resfriamento e utilização sub-saturado W LaB6

10 Canhão 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 

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