ショットキー電子銃

Schottky-emission electron gun, SE electron gun

[目次：装置]

加熱された金属に強い電界をかけたときに熱電子が出やすくなるショットキー放出現象を利用した電子銃。
陰極(エミッター)には、先端曲率半径が数100nm程度の酸化ジルコニウムで被覆したタングステン単結晶 ZrO/W〈100〉が用いられる。1800K程度の陰極温度で使用し、ZrOの被覆がエミッター表面(100)面の仕事関数を大きく低下させる。先端に電場を印加することにより、この面から電子線を放出する。エミッターの環境としては10^-7Pa程度の超高真空が必要である。数年の寿命がある。
光源(仮想光源)の大きさは15～20nmと小さく、輝度は電界放出電子銃とほぼ同じレベル(～10⁸A/cm²sr)で、熱電子放出電子銃に比べて3桁高いので、高分解能の像観察が行える。
エミッターが高温のため残留ガス分子の吸着がなく、長時間に亘って安定した電流量が得られるとともに、電界放出型電子銃に比べて2桁以上大きなプローブ電流(数100nA)が得られるため、EDSやWDSによる元素分析やEBSDによる結晶解析にも適している。このように、SEMにおいては多目的な用途に用いられる電子銃である。
図は、ショットキー放出電子銃の基本的な構造を示す。エミッターは通電加熱によって1800K程度に加熱される。引き出し電極が作る強電界によってエミッターの先端の(100)面から電子の放出が起こる。さらに加速電極に印加された加速電圧によって所定のエネルギーに加速する。サプレッサーと呼ばれる電極には負の電荷がかかっており、(100)面以外から放出する不要な熱電子を遮蔽する。

ショットキー放出電子銃の基本構造⇒図

An electron gun that utilizes the Schottky effect, in which thermoelectrons are easily emitted due to lowering potential barrier when a strong electric field is applied to a heated metal surface.
A single tungsten crystal coated with zirconium oxide (ZrO/W<100>) having a tip radius of a curvature of a few 100 nm is used as the cathode (emitter) of the electron gun. The cathode is operated at about1800 K. The coated ZrO greatly decreases the work function of the (100) plane of the tungsten emitter surface. The emitter requires an ultra-high vacuum of about 10^-7 Pa. The emitter has a lifetime of several years.

The diameter of the electron source (virtual source) is as small as 15 to 20 nm. The brightness of the Schottky-emission electron gun is approximately 10⁸ A/cm²sr, which is almost same as that of FEG. It is about three orders of magnitudes greater than that of the thermionic-emission gun. Thus, the Schottky-emission electron gun is used for high-resolution imaging.
Another feature of this gun is a long-time stable, large probe current because of less adsorption of residual gas molecules onto the emitter surface, owing to a high-temperature operation. Its large probe current of several 100 nA is about two orders of magnitudes greater than that for FEG. Thus, the Schottky electron gun is suitable for elemental analysis using an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS) and a wave-length dispersive X-ray spectrometer (WDS), and for crystal orientation analysis by electron backscatter diffraction (EBSD). Therefore, the Schottky-emission electron gun is an excellent gun used for multi-purpose applications.
Figure shows the basic structure of the Schottky-emission electron gun. The emitter is heated to about 1800 K by electrical heating. With a strong electric field generated by the extracting anode, electrons are emitted from the emitter tip of a W(100) plane. Then, the emitted electrons are accelerated by the voltage applied to the accelerating anode up to a predetermined energy. A negative charge is applied to the suppressor (electrode), so as to cut the unnecessary thermo-electrons emitted from the W(100) plane.