O documento discute as características e vantagens dos canhões de emissão de campo (FEG) em microscópios eletrônicos em comparação com fontes termiônicas convencionais. Os FEG fornecem maior brilho, coerência, estabilidade e vida útil, além de resolução de energia superior. Eles permitem obter imagens de alta resolução com detalhes atômicos devido à sua alta coerência espacial e temporal.

1. Canhões de Elétrons
André Luiz Pinto, DC
Chefe do Laboratório de
Microscopia Eletrônica do IME

2. Jeol

3. Canhão de Elétrons
ZrO/W(100) Schottky
Type Electron Gun
Higher brightness, 100
times greater than LaB6
gun
Higher coherency
Higher energy resolution,
0.7 to 0.8eV
Higher stability over a
cold FEG
Longer life time 1.5 to 3
years (guarantied time:
5,000 hours)
Jeol

4. O que desejamos em um
canhão?
Alto brilho
Fonte de dimensões reduzidas
Estabilidade
Energia Controlável
Coerência

5. Brilho
Definimos o brilho como a densidade de
corrente (corrente, ie, por unidade de área)
emitido em um ângulo sólido αo.
Unidade: A/m2sr
( )2
2
2
o
o
e
d
i
αππ
β
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
Jeol

6. Energia dos Elétrons
Através do Princípio da Dualidade Onda-
Partícula de de Broglie podemos associar o
momento da partícula ao seu comprimento
de onda
Energia cinética do elétron a partir do seu
potencial de aceleração
p
h
=λ
eVmvmp
vm
eV oo
o
2
2
2
==⇒=

7. Energia dos Elétrons
Comprimento de onda
Correção relativística
eVm
h
o2
=λ
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
=
2
2
12
cm
eV
eVm
h
o
o
λ

8. Fontes Termiônicas
Lei de Richardson para a densidade de
corrente
kT
eATJ
Φ
−
= 2
A- Cte de Richardson
Φ - Função Trabalho
K – Cte de Boltzmann

9. Filamento de W
Baixo custo (~ US$ 90)
Baixa vida (~ 100 h)
Baixo brilho
Williams e Carter

10. Filamento de LaB6
Maior custo (~US$ 1-3k)
Maior vida (~500 h)
Maior brilho
Monocristal <100>
Suporte resistivo de grafite
ou rênio
Sujeito a choque térmico
Altamente reativo
Podem ter efeito Schottky
(ponta com r~1-10µm dobra
o brilho)
Williams e
Carter
Goldstein et all

11. Saturação
Williams e CarterJeol

12. Saturação
Williams e CarterJeol

13. Canhão de Elétrons - Wehnelt
Jeol
Williams e Carter

14. Controle do Bias
Williams e Carter
Jeol

15. Problemas das Fontes
Termiônicas
Evaporação do catodo
“Thermal drift”
Baixo brilho
Brilho máximo
kT
eVJ oc
Max
π
β =

16. Canhão de Emissão por Campo
(Field Emission Gun - FEG)
Monocristal <310> com ponta
afiada (r<100 ηm)
Menor raio concentra o campo
elétrico e diminui a necessidade
de T
V1 – voltagem de extração
(3-5 kV)
V2 – voltagem de aceleração
Brilho máximo
E
eVJ oc
Max
∆
=
π
β
Williams e Carter

17. Canhão de Emissão por Campo
(Field Emission Gun - FEG)
3 tipos básicos
Frio
Térmico
Schottky
Crossover
Frio - < 5 ηm
Térmico - < 5 ηm
Schottky - < 15-30 ηm
Variação da Energia (∆E)
Frio – 0,3 eV
Térmico – 1 eV
Schottky – 0,3 - 1 eV
Estabilidade
Frio – 5%/h
Térmico – 5%/h
Schottky – 2%/h
Goldstein et all

18. Goldstein et all
Williams
e Carter

19. Degradação da Fonte
Goldstein et all

20. Coerência
Coerência avalia quão “em fase” estão as
ondas de elétrons
Coerência temporal
Coerência Espacial
α - ângulo de convergência
FEG possui grande coerência temporal e
espacial
E
vh
c
∆
=λ
α
λ
2
<<cd

21. Diâmetro do Feixe
O diâmetro final, dt, é resultado do diâmetro
do “crossover” alargado pela aberração
esférica da lente objetiva, ds, e a difração
pela última abertura, dd.
222
dsgt dddd ++=
αβπ
12
2
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
i
dg
3
5,0 αss Cd =
α
λ
22,1=dd

22. Referências
Williams, D. B. e Carter, C. B.,
“Transmission Electron Microscopy” , Ed.
Plenum, New York, 1996.
Goldstein, J. et all, “Scanning Electron
Microscopy and X–Ray Analysis”, Ed.
Springer, 2003.
Apostila da Jeol – MET
Apresentação da Jeol – Jeol 2100F