[Zohreh Gholami]

روش‏ هاي توليد پرتوهاي الكتروني


مقدمه:
همان‏گونه كه در مقاله‏ ي قبلي ديديم، به دليل ويژگي‏ هاي منحصر به فرد الكترون‏ ها، براي بررسي دقيق‏ تر ساختار ماده از ميكروسكوپ‏ هاي الكتروني استفاده مي‏ نماييم. اما شايد اين سوال پيش آيد كه اين الكترون‏ ها چگونه تهيه مي‏ شوند؟ مگر آن‏ها اجزايي از ساختار اتم‏ ها نيستند؟ پس چگونه مي‏ توانيم آن‏ها را جدا كرده و در دسته‏ هاي پر انرژي به ماده بتابانيم؟ در اين مقاله به روش‏ هاي توليد پرتوهاي الكتروني مي‏ پردازيم.


تفنگ الكتروني:
وجود يك منبع قابل اعتماد براي توليد باريكه‏ هاي الكتروني، يكي از مسائل مهم در ميكروسكوپي TEM است. خوشبختانه منابع زيادي براي توليد الكترون وجود دارند. اما بايد از اين ميان، بهترين انتخاب ممكن را براي دست‏يابي به بهترين حالت تصويربرداري برگزيد. يك باريكه‏ ي الكتروني مناسب براي TEM، داراي مشخصاتي است كه تنها با استفاده از دو دسته از منابع الكتروني مي‏ توان آن‏ها را فراهم آورد. اين منابع عبارتند از منابع گرمايوني و منابع نشر ميداني. هر يك از اين منابع ويژگي‏ هاي خاص خود را دارا بوده و بر اساس ساز و كار ويژه‏اي باريكه‏ هاي الكتروني را ايجاد مي‏ كنند. منبع الكتروني در مجموعه‏ اي از قسمت‏ هاي يك TEM قرار دارد كه به آن به اصطلاح «تفنگ الكتروني» مي‏ گوييم.


منابع گرمايوني:
همان‏گونه كه از نام اين دسته از منابع برمي‏ آيد، آن‏ها با گرم شدن، شروع به توليد الكترون مي‏ كنند. مواد مورد استفاده در اين نوع منبع در گذشته بيشتر از فيلمان‏ هاي تنگستن و امروزه بيشتر از بلورهاي لانتانيوم هگزابورايد (LaB6) بوده است. 

پرسش 1: قبل از مطالعه‏ ي ادامه‏ ي مقاله، آيا مي‏ توانيد دلايل استفاده از اين دو نوع كاتد را براي نشر گرمايوني بيان كنيد؟

براي اين‏كه بتوانيم الكتروني را از ماده جدا كنيم، بايد به آن به قدري انرژي بدهيم تا بتواند از سطح ماده خارج شود. اين مقدار انرژي كه به عنوان يك سد براي خروج الكترون شناخته مي‏ شود، تابع كار نام دارد و غالبا آن را با حرف يوناني في (Φ) نمايش مي‏ دهيم. اين مقدار براي مواد مختلف غالبا در حدود چند الكترون ولت است.
الكترون ولت (eV) واحدي است كه براي بيان انرژي يك الكترون استفاده مي‏ شود. يك الكترون ولت برابر است با مقدار انرژي يك الكترون، هنگامي‏كه در ميدان پتانسيل الكتريكي برابر با يك ولت قرار گرفته باشد. اين مقدار برابر با J 1.6.02*10-19 مي‏ باشد.

هنگامي‏كه به يك ماده انرژي حرارتي وارد مي‏ كنيم و دماي آن به حد كافي بالا مي‏ رود، الكترون‏ ها به مقدار كافي انرژي دريافت مي‏ كنند تا بر اين سد انرژي (تابع كار) فائق آيند. در اين صورت الكترون‏ ها از ماده بيرون آمده و براي تشكيل يك باريكه‏ ي الكتروني آماده هستند. اما يك مشكلي وجود دارد! هنگامي‏كه ماده را تا چند الكترون ولت گرما مي‏ دهيم، ماده ذوب و يا بخار مي ‏شود. بنابراين، تنها منابع در دسترس براي نشر گرمايوني الكترون‏ ها، مواد ديرگداز (موادي كه دماي ذوب بالايي دارند) و يا مواد داراي تابع كار بسيار كم مي‏ باشند. ماده‏ اي كه سال‏ هاي طولاني براي TEMها و امروزه براي SEMها به عنوان كاتد استفاده مي‏ شود، تنگستن با دماي ذوب در حدود  3660 كلوين مي‏ باشد. هم‏چنين تنها ماده‏اي كه امروزه براي TEMها به كار مي‏ رود، LaB6 است كه تابع كار بسيار پاييني  (2.4eV) دارد. برخي مشخصه‏ هاي اين كاتدها در جدولي در انتهاي اين مقاله درج شده‏ اند. مي‏ توانيد آن‏ها را با مشخصات ديگر منابع نيز مقايسه نماييد.


منابع نشر ميداني:
يك منبع نشر ميداني يا به اختصار FEG (مخفف Field Emission Gun)، ابزاري است كه با برقرار شدن يك پتانسيل الكتريكي بزرگ بين آن و يك آند، شروع به توليد الكترون مي‏ نمايد. ساخت اين نوع منبع با استفاده از سوزن‏ هاي بسيار ظريف تنگستن امكان‏ پذير است. الكترون‏هاي توليد شده توسط منابع نشر ميداني نسبت به الكترون‏ هاي حاصل از منابع گرمايوني انرژي‏ هاي بسيار نزديك‏تري به هم دارند. بنابراين به اصطلاح مي‏ توانيم باريكه‏ ي الكتروني تك‏فام‏ تري داشته باشيم. اصطلاح تك‏فام (يا تك‏رنگ) براي باريكه‏ هايي از نور مرئي و يا پرتوهاي X به كار مي‏ رود كه تمام طول موج‏ هاي موجود در آن تقريبا با هم برابر باشند. در اين‏جا با توجه به اين‏كه الكترون رفتار موجي نيز دارد، اين اصطلاح به كار مي‏ رود. گرچه با توجه به اين‏كه طول موج مربوط به يك الكترون با انرژي (يا سرعت) آن رابطه دارد، از يك‏سان بودن انرژي الكترون‏ ها مي‏ توان يك‏سان بودن طول‏ موج آن‏ها را نتيجه گرفت.
اساس كار FEGها كاملا با منابع گرمايوني متفاوت است. همان‏گونه كه مي‏ دانيد، قدرت يك ميدان الكتريكي در نقاط تيز بسيار شديد است. هنگامي‏ كه اختلاف پتانسيل V به يك نقطه‏ ي تيز (قسمتي از دايره به شعاع r) اعمال شود، آن‏گاه مقدار ميدان برابر با E=V/r خواهد بود. مشاهده مي‏ كنيد كه با تيز شدن نقطه‏ ي مورد نظر (كاهش r)، مقدار ميدان به شدت افزيش خواهد يافت. يكي از موادي كه به راحتي مي‏ توان از آن يك سوزن نوك تيز ساخت، تنگستن است. اگر به يك نوك تيز تنگستن با شعاع نوك كمتر از  0.1μm اختلاف پتانسيلي برابر با 1kV اعمال نماييم، مقدار E برابر با 1010V/m به دست خواهد آمد. اين مقدار بزرگ ميدان، به راحتي سد انرژي (تابع كار) را از ميان برمي‏ دارد و الكترون‏ ها مي‏ توانند از ماده خارج شوند. اما چنين ميدان‏ هاي خارجي اعمالي بر ماده موجب ايجاد فشار زيادي بر آن مي‏ شود. بنابراين ماده‏ ي مورد نظر بايد استحكام بسيار بالايي داشته باشد تا سالم بماند. براي رخ دادن پديده‏ ي نشر ميداني، سطح نوك سوزن بايد كاملا عاري از هرگونه آلودگي و اكسيد باشد. براي رسيدن به اين شرايط، مي‏ توان از خلاءهاي بسيار قوي (در حدود  Pa) استفاده كرد. در اين صورت مي‏ توان دماي كاري منبع را تا حدود دماي اتاق پايين آورد. به اين فرآيند، نشر ميداني سرد (Cold-FE) مي‏ گوييم.

پرسش 2: به نظر شما استفاده از خلاءهاي بسيار قوي چگونه مي‏ تواند موجب رفع مشكل آلودگي‏ ها و اكسيدهاي سطحي احتمالي موجود بر روي نوك سوزن تنگستني شود؟ آيا مي‏ دانيد تكنيك استفاده از خلاء براي از بين بردن اكسيدهاي سطحي و آلودگي‏ ها در چه مواردي كاربرد دارد؟

منابع شاتكي:
در اين دسته از منابع، ساز و كار حاكم بر توليد الكترون، تلفيقي از گرمايوني و نشر ميداني مي‏ باشد.

جدول 1- برخي ويژگي‏ هاي منابع الكتروني مختلف

پرسش 3: با توجه به جدول بالا مشاهده مي‏ شود كه فيلمان تنگستني مورد استفاده در روش گرمايوني طول عمر بسيار كوتاه‏تري نسبت به سوزن تنگستني مورد استفاده در روش نشر ميداني دارد. آيا مي‏ توانيد دلايل اين موضوع را بيان نماييد؟

جعبه متن

منبع: باشگاه نانو