Matière et Rayonnements les techniques expérimentales d’observation et d’analyse des matériaux 1ère partie III – L’Optique électronique: aspects technologiques

Plan A – Les sources d’électrons B – L’optique électronique

A – Les sources d’électrons I – Les diverses sources électroniques II – Principe de fonctionnement des divers canons

Emissions électroniques (« canons ») Domaines d ’émission électronique selon le champ électrique appliqué à la pointe et la température de celle-ci loi de Föwler-Nordheim E : champ électrique (107 à 109 V/cm) Emissions électroniques (« canons ») filament W, pointe LaB6 densité de courant Loi de Dushman-Richardson F : travail de sortie DF : abaissement du travail de sortie (3,8 10-4 E1/2)

Rappels sur le canon de type triode (émission thermo-ionique) canon à résistance d ’autopolarisation tension du wehnelt : V0 chute de tension dans la résistance : tension appliquée à la cathode : zone émissive au niveau de la pointe ; apparition du cross-over la différence de potentiel entre le wehnelt et la cathode est fonction du courant électronique ( ou d ’anode)

wehnelts wehnelt et anode

Caractéristiques des canons à émission thermo-ionique 1) cathode en tungstène (filament en « épingle à cheveux ») (F=4,5 eV) - température de fonctionnement : 2600 à 2700 K - faible densité d ’émission : 1A/cm2 - faible brillance : 105 A/cm2/sr - cross-over de grand diamètre : 50 à 150 µm - médiocre dispersion énergétique (thermique) >10 eV - durée de vie brève : 20 à 200 h mais : - très bonne stabilité d ’émission (microanalyse) - ne nécessite pas de vide poussé (vide secondaire) - peu chère (environ 100 €) 2) cathode en pointe LaB6 (F=2,7 eV) pour améliorer la brillance du canon... - température de fonctionnement : 1900 K - bonne densité d’émission : 40 A/cm2 - bonne brillance : 106 A/cm2/sr - cross-over de faible diamètre : 10 µm - médiocre dispersion énergétique (thermique) >10 eV - longue durée de vie : >1000 h mais : - moins bonne stabilité d ’émission (microanalyse exclue) - nécessite un vide poussé (vide ionique) - chère (environ 1000 € à 2000 €)

Pour améliorer la brillance : utiliser l’effet de champ Exemple de filament en pointe LaB6 Pour améliorer la brillance : utiliser l’effet de champ (ou effet tunnel) !

Principe du canon à émission de champ L’électrode d’extraction fournit le champ électrique qui extrait les électrons de la pointe par effet tunnel La 2ème anode fournit la tension d’accélération des électrons. Le cross-over est virtuel et de faible diamètre (environ 3 à 10 nm)

B – Optique électronique - Petits rappels sur les lois de l’optique géométrique - Optique électronique : quelques relations fondamentales I - Action d’un champ électrique sur une particule chargée II - Action d’un champ magnétique sur une particule chargée III - La lentille électromagnétique IV - Défauts des lentilles : les aberrations V - La colonne électronique

Mêmes règles mais avec des foyers Petits rappels sur les lois de l’optique géométrique La lentille convergente : trajectoire des rayons lumineux et construction de l’image (réelle) les rayons parallèles à l’axe convergent par le foyer image, les rayons passant par l’axe de la lentille ne sont pas déviés, les rayons passant par le foyer objet deviennent parallèles à l’axe, La lentille divergente : trajectoire des rayons lumineux et construction de l’image (virtuelle) Mêmes règles mais avec des foyers virtuels !

1 – Champ magnétique créé parcourue par un courant I III - La lentille électromagnétique lignes de champ lignes de champ anneau de Cu 3 – En modifiant la forme du blindage au niveau de l’entrefer (« pièces polaires »), on favorise la concentration du champ magnétique : on a réalisé une « lentille magnétique » 1 – Champ magnétique créé par une bobine torique parcourue par un courant I 2 – si la bobine est fermée par un blindage ferromagnétique, le champ est entièrement canalisé. Si le blindage comporte une partie diamagnétique (anneau de Cu) le champ magnétique peut alors apparaître localement dans l’axe de la bobine (« l’entrefer »).

de lentilles électromagnétiques partie interne démontable Quelques exemples de lentilles électromagnétiques anneau de Cu partie interne démontable de la lentille anneau de Cu lentille « double condenseur » : une seule bobine deux pièces polaires lentille finale (« objectif »)

Microscope électronique conventionnel : usages des différents champs électrique et magnétique cathode Canon wehnelt Champs magnétiques anode lentilles 1 et 2 Champs électriques bobines de déplacement fin bobines de balayage stigmateur lentille 3 détecteur ET

(émissions thermoélectronique ou de champ) Canons (émissions thermoélectronique ou de champ) Lentilles électromagnétiques bobines d’alignement, de correction, de balayage… Autres dispositifs éventuels Colonne électronique

(réduction de cross over d) V - La colonne électronique Approximation de la lentille mince cross-over Applications numériques Cas 1 : excitation minimale M=7,4 10-4 si d=20µm dg=15 nm Cas 2 : excitation maximale M=1,4 10-4 si d=20µm dg=2,8 nm exemple numérique diamètre gaussien (réduction de cross over d)

relation « courant électronique - taille de sonde » Variation du diamètre du faisceau électronique (« sonde ») en fonction de l’intensité du courant électronique pour différentes valeurs de la tension d’accélération et pour 2 types de canon relation « courant électronique - taille de sonde » Brillance : W : 5,3 104 à 1,6 105 A/cm2/sr LaB6 : 4,6 105 à 1,4 106 A/cm2/sr