Un microscope à électrons de champ pour la mesure de l

Un microscope à électrons de champ pour la mesure de
l’émission par les faces individuelles
J.M. Bermond, F. Bel
To cite this version:
J.M. Bermond, F. Bel. Un microscope à électrons de champ pour la mesure de l’émission
par les faces individuelles.
Revue de Physique Appliquee, 1970, 5 (4), pp.649-652.
<10.1051/rphysap:0197000504064900>. <jpa-00243440>
HAL Id: jpa-00243440
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Submitted on 1 Jan 1970
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REVUE DE
PHYSIQUE
APPLIQUÉE
TOME
5,
AOUT
1970,
PAGE
649
UN MICROSCOPE A ÉLECTRONS DE CHAMP
POUR LA MESURE DE L’ÉMISSION PAR LES FACES INDIVIDUELLES
J. M. BERMOND, F. BEL
Laboratoire des Mécanismes de la Croissance Cristalline associé
Faculté des Sciences de Saint-Jérôme, Marseille
(Reçu le 9
mars
au
C. N. R. S.,
1970)
On décrit un microscope à électrons de champ comportant un cylindre de Faraday
Résumé.
dont l’ouverture d’entrée est mobile dans le plan de l’écran. On peut ainsi mesurer le courant d’émission de chaque face d’un monocristal sans déformation des trajectoires électroniques.
-
A field emission microscope including a Faraday cage with a movable hole in the
is described. Thus, emission currents from single crystal faces are measured without
deformation of the electron trajectories.
Abstract.
image
2014
screen
Un des principaux intérêts du
T. Introduction.
microscope à électrons de champ est la possibilité
d’étudier les faces individuelles d’un monocristal
constituant la cathode. En mesurant le courant d’émission de champ pour différentes faces, on peut déterminer le potentiel de sortie des électrons du métal
pour les faces individuelles, et par suite des grandeurs
telles que le degré de recouvrement dans le cas d’une
adsorption, etc. (*). La technique la plus précise
utilise un cylindre de Faraday placé derrière l’écran,
et dont l’ouverture d’entrée coïncide avec l’image de
la face à étudier [2] et [3]. Pour obtenir cette coïncidence on peut :
-
-
de
maintenir la
pointe fixe
et
déplacer
le
cylindre
Faraday [3] ;
-
maintenir la pointe fixe et déplacer l’image élecà un champ magnétique [2] et [4] ;
maintenir fixe le cylindre de Faraday et déplacer
tronique grâce
-
la
pointe [3].
Tous les dispositifs précédents entraînent une certaine déformation de l’image. Ce fait est parfois gênant.
Nous décrivons dans cet article un microscope donnant
une image non déformée et permettant la mesure des
courants d’émission des faces
individuelles.
FIG. 1.
-
-
sources
(*)
d’évaporation,
Pour le
principe de
ce
etc.
microscope voir [1].
Schéma du microscope.
Il se compose essenb. L’ENSEMBLE ANODIQUE.
des
trois
suivantes
dont l’agencement
tiellement
pièces
une
ouverture
d’obtenir
mobile :
(Fig. 2) permet
-
disque 1, mobile autour d’un axe et qui porte
spirale logarithmique,
un cylindre extérieur 2, mobile indépendamment
autour du même axe, qui porte une fente radiale et
qui sert d’écran électrostatique.
-
une
II. Description du microscope.
a. STRUCTURE
GÉNÉRALE.
Le microscope comporte une pointe
fixe. Le courant en chaque point de l’image peut être
recueilli dans le cylindre de Faraday grâce à un trou
mobile dans le plan de l’écran d’observation. L’appareil est représenté sur la figure 1. Il est démontable
grâce à quatre brides en acier inoxydable. La pointe
émettrice refroidie par l’air liquide, est portée par la
bride n° 1. La photographie de l’écran se fait horizontalement à travers le hublot (bride n° 2). La bride
n° 3 est reliée au système de pompage à ultravide. La
bride n° 4 peut recevoir divers accessoires tels que
-
un
fente
-
L’intersection de ces deux fentes réalise un trou
mobile dans le plan des deux disques ;
un cylindre intérieur 3, qui sert de cage de Faraday, mécaniquement lié au cylindre extérieur mais
électriquement isolé de celui-ci par trois perles de
verre 7.
-
Le cylindre extérieur tourne autour d’un tube de
Kovar 4, définissant l’axe de rotation général et servant de support à l’ensemble. Le disque 1 tourne sur
un axe porté par le cylindre extérieur. La spirale a été
calculée de façon que l’angle entre le rayon vecteur
et la tangente soit maximum (ici 630 environ) sachant
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0197000504064900
650
DÉTAILS EXPÉRIMENTAUX.
Toutes les pièces
métalliques ont été fabriquées selon les techniques
mises au point pour l’utilisation en ultravide. La
substance fluorescente de l’écran est du sulfure de
zinc. La température de la pointe est déterminée en
mesurant la résistance d’une faible partie de la boucle
qui la porte [5]. Enfin, la paroi de verre du microscope
est rendue conductrice par évaporation d’une couche
mince de tungstène.
Les courants d’émission de champ pouvant être
de l’ordre de 10-11 A, on a d’abord vérifié l’isolement
électrique du cylindre intérieur par rapport à la masse.
L’appareil de mesure est un picoampèremètre (Keithley, Type 410) dont le bruit de fond en courant est
inférieur à lO-13 A. On a trouvé un courant résiduel
inférieur à 2 x 10-12 A entre le cylindre intérieur
et la masse.
Le microscope a été monté sur un groupe de pompage à ultra-vide, maintenant à l’intérieur de l’enceinte
une pression inférieure à 5 x 10-’o torr (mesurée
par une jauge Bayard-Alpert VEECO RG 75). Malgré
cela on est gêné par la formation sur la pointe d’une
couche d’adsorption due à l’atmosphère résiduelle
(hydrogène). On a donc nettoyé la pointe avant chaque
mesure en la portant à 2 500 OK pendant 5 s. Ce
traitement fournit une surface de tungstène propre,
comme on peut s’en assurer par observation visuelle
de l’image. En contrepartie, il faut considérer que le
traitement thermique peut changer le rayon de courbure et le profil de la pointe.
c.
FIG. 2.
-
Deux
vues
de l’ensemble
anodique.
qu’il n’y a qu’une intersection entre les fentes radiale
et spirale. Le cylindre intérieur est fermé par une plaque
portant elle aussi une fente radiale parallèle à la fente
radiale du cylindre extérieur, et légèrement plus large
(1,2 mm au lieu de 0,9 mm). La distance entre ces
deux fentes est de 0,5 mm. La largeur des fentes est
constante à mieux que 1/10 mm près. Un fil de molybdène fixe 5 traverse l’âme du tube de Kovar et établit
le contact électrique avec le cylindre intérieur par
l’intermédiaire d’un ressort spiral 6. Une perle de
verre 8 assure l’étanchéité. Le déplacement radial du
trou s’obtient par rotation de la spirale par rapport
aux cylindres, le déplacement angulaire par rotation
des cylindres eux-mêmes. La plaque spirale et le
cylindre extérieur portent des masselottes en nickel 9,
ce qui permet de réaliser les déplacements sous ultravide, grâce à un aimant extérieur. La figure 3 montre
l’ensemble anodique après assemblage.
FIG. 3.
-
Cylindre de Faraday avant montage
dans le ballon de
verre.
-
III. Résultats expérimentaux.
a. TRACÉ DES
DROITES DE FOWLER-NORDHEIM EN ÉMISSION DE CHAMP.
On a d’abord vérifié le fonctionnement correct de
l’appareil en traçant les droites de Fowler-Nordheim
relatives à diverses faces cristallines individuelles de
pointes de tungstène.
On sait que le courant d’émission de champ I obéit
à une équation du type Fowler-Nordheim :
-
-
où V est la différence de potentiel entre anode et
pointe cathodique, A un coefficient numérique pratiquemment indépendant de V, ç le potentiel de sortie
des électrons pour la face considérée, et fi un coefficient
géométrique qui dépend du profil de la pointe et de
la face cristalline étudiée. La quantité Log Il V2 est
donc une fonction linéaire de I/V. Sa représentation
graphique est une « droite de Fowler-Nordheim »
dont la pente dépend de ç et fl. Les résultats sont
représentés sur les figures 4 et 5. Pour les faces différentes, on trouve des droites ayant des pentes différentes montrant l’influence du travail de sortie des
électrons. La figure 5 montre en outre l’influence et
la sélectivité de l’adsorption. Après 5 mn d’exposition à l’atmosphère résiduelle d’hydrogène
(p 5 x 10-10 torr) le travail de sortie de la face
(110) est inchangé, mais celui de la face (134) a aug-
651
menté. On observe alors
téristique de l’adsorption
de zone du type { 111 }.
l’image d’émission caracd’hydrogène sur les lignes
b. COMPARAISON DES FACES DE MÊME TYPE.
Pour
une vérification supplémentaire du bon fonctionnement, on a comparé les pentes des droites relatives
à des faces homologues dans les symétries d’orientation du cristal. Ces faces ont le même travail de sortie ~. Elles ont en outre le même coefficient fi. On doit
donc trouver des parallèles quand on trace les droites
de Fowler-Nordheim correspondantes.
-
FIG. 4.
-
Droites de Fowler-Nordheim pour les faces
(111), (130) et (123). V en Volts, I en A.
(100),
v
FIG. 6.
Comparaison des pentes des droites de FowlerNordheim pour les différentes faces des familles (100) et (111).
-
V en
volts,
I en A.
6 montre les résultats pour les faces du
type {Il 11 et {1 OO}, on a constaté le parallélisme des
droites, dans chaque famille. Les courbes ne sont pas
confondues. En effet on sait que la pointe n’est jamais
parfaitement symétrique et le coefficient A peut avoir
des valeurs légèrement différentes sur deux faces
homologues. Une explication complémentaire est que
l’axe de la pointe ne coïncide pas exactement avec
l’axe de symétrie du cylindre de Faraday.
La
figure
DIFFÉOn peut retrouver
quantitativement les valeurs relatives des travaux de
sortie de différentes faces individuelles d’une pointe.
Si 9 et ~’ sont les travaux de sortie de deux faces de
coefficients fi et 03B2’, d’après la relation (1) les pentes S
et S’ des droites de Fowler-Nordheim correspondantes
sont liées par :
C.
COMPARAISON
DES TRAVAUX DE SORTIE DE
RENTES FACES INDIVIDUELLES.
Droites de Fowler-Nordheim relatives aux faces (110)
(134). V en volts,1 en A.
Influence de l’adsorption. Points noirs : pointe propre ; Points
blancs : pointe après 5 mm d’exposition à l’atmosphère résiFIG. 5.
-
et
duelle.
-
652
déterminé expérimentalement le rapport S/S’
calculé le rapport ~’/~. Les rapports 03B2’/03B2 ont
été calculés à partir des courbes de Drechsler et
Henkel [7], donnant la diminution du champ électrique sur la surface de la pointe en fonction de la
distance angulaire au sommet. On a pris un facteur
de forme de 0,1.
On
et
a
on a
TABLEAU I
Comparaison des potentiels de sortie
de différentes faces
On a fait deux séries d’expériences en comparant
d’abord les faces (100), (111) et (130), puis les faces
(100), (111) et (123). Ainsi les variations des coefhcients fl dues à la variation du rayon de courbure
au sommet de la pointe sont réduites le plus possible.
L’incertitude est de 1 % environ sur 8100 et sur
3 % sur 8130 et de 4 % sur 8123. Dans le
tableau I, les résultats sont comparés avec ceux des
trois auteurs cités [4, 6, 7].
Le rapport ({Jl00/({Jlll mesuré et sa valeur calculée
d’après Swanson sont différents de 13 % environ. La
cause en est, semble-t-il, la valeur anormalement basse
donnée par cet auteur pour le potentiel de sortie de
la face (100).
8111, de
IV. Conclusion.
Ces résultats montrent que l’apfonctionne correctement et permet de mesurer
avec précision les variations du potentiel de sortie
pour les faces individuelles d’un monocristal. On
compte l’utiliser, par exemple, pour l’étude de systè-
pareil
mes
d’adsorption.
Nous tenons à remercier Monsieur Le Professeur
Kern, Directeur du Laboratoire des Mécanismes de
la Croissance Cristalline, pour ses encouragements
et ses conseils. Au même degré, nous exprimons notre
gratitude à Monsieur M. Drechsler, Directeur de
Recherches, qui
(*) On a pris
(Müller).
qJI00
=
4,90 eV (Van Oostrom) et qJ 130
=
4,31 eV
nous a
initiés
par émission de
aux
méthodes de la
Nous remercions
en
outre
Monsieur S. Blancheton et Monsieur A. Nemeth pour leur aide amicale et dévouée
dans la réalisation de cet appareil.
microscopie
champ.
Bibliographie
[1] GOOD (R. H.) et MÜLLER (E. W.), Hand. d. Physik XXI,
Springer, 1956.
[2] DRECHSLER (M.) et MÜLLER (E. W.), Z. Physik, 1953,
134, 208.
[3] MÜLLER (E. W.), J. Appl. Phys., 1955, 26, 732.
[4] VAN OOSTROM, Thèse, Amsterdam, 1965.
[5] GOMER (R.), « Field Emission and Field Ionisation »,
Harvard, 1961.
[6] SWANSON (L. S.) et CROUSER (L. C.), Phys. Rev., 1967,
163, 622.
[7] DRECHSLER (M.) et HENKEL (E.), Zeit Angew. Phys.,
1954, 6, 341.