Катоды Шоттки

Катоды Шоттки - ключевой элементов современных электронных микроскопов. Они обеспечивают стабильный, яркий и высококогерентный электронный пучок, который необходим для получения изображений с нанометровым и субнанометровым разрешением. Катоды Шоттки работают в режиме полевой (field-assisted) эмиссии. Катод Шоттки — это источник электронов, в котором эмиссия усиливается за счёт эффекта Шоттки - снижения работы выхода электрона под действием внешнего электрического поля.

Основой катода Шоттки является вольфрамовый наконечник, покрытый оксидом циркония (ZrO₂). При работе наконечник нагревается до температуры ~1700 K, создаётся сильное электрическое поле, происходит эмиссия электронов. Это сочетание нагрева и поля обеспечивает высокую стабильность, хорошую яркость, длительный срок службы.

При использовании катодов Шоттки генерация электронов происходит за счет полевой эмиссии и преодоления потенциального барьера за счет электрического поля, таким образом катод Шоттки не нагревается так, как термоэмиссионные катоды, а эмитированные электроны имеют относительно небольшой разброс энергий. В связи с тем, что форма катода выполнена в виде стержня с максимально заостренным окончанием — эмиссия происходит из узкой локации,что позволяет проще фокусировать излучение, эмитированное полевым катодом в пучки нано- диаметра. При наложении внешнего электростатического поля, силовые линии которого направлены к эмиттеру (катоду) — наблюдается снижение работы выхода электронов из катода. Это явление называется эффектом Шоттки, получившее название в честь Вальтера Шоттки, исследовавшего его. Внешнее электрическое поле понижает работу выхода на величину Δ W. Электроны в металле имеют энергию, равную энергии уровня Ферми, а электроны на бесконечном удалении от поверхности имеют энергию E. Разность этих энергий — это работа выхода. Сумма сил притяжения к катоду и от внешнего поля имеет локальный максимум на расстоянии x от катода, причём этот максимум имеет энергию ниже энергии выхода, что увеличивает термоэлектронную эмиссию. Эмиссия электронов, которая происходит в результате совместного действия эффекта Шоттки и термоэлектронной эмиссии часто называется «эмиссией Шоттки».

При замене катода необходимо проявлять максимальную осмотрительность, не допуская попадая в рабочее пространство электронного микроскопа посторонних предметов и макрочастиц в воздушной смеси. 

Преимущества катодов Шоттки.

Высокая яркость пучка

Катоды Шоттки обеспечивают значительно более яркий пучок по сравнению с термокатодами.

Это критично для электронной микроскопии, наноструктурного анализа.

Стабильность

В отличие от холодных полевых эмиттеров, катоды Шоттки менее чувствительны к вакууму, стабильнее в работе, требуют меньше обслуживания.

Долговечность

Срок службы значительно выше, чем у холодных источников. Это снижает затраты на обслуживание, простои оборудования.

Хорошая когерентность

Пучок обладает малым угловым расхождением, высокой направленностью, что улучшает разрешение и качество изображений.

Катоды Шоттки поставляются под заказ и производятся компаниями YPS и Denka. Примерная таблица сопоставления моделей катодов и микроскопов приведена ниже. Стоимость полевых катодов YPS-174 варьруется в зависимости от исполнения и конкретной модели микроскопа, для которой он предназначен.