Development and characterization of a LaB6 based high brightness field emission electron source

Abstract

Recent scientific advancements made it possible to track physical, chemical and biological reactions in space and time simultaneously. Cryo-electron microscopy (cryo-EM), which bagged the Nobel prize of 2017, enables a better understanding of biological structures at the atomic level. However, it does not provide information about dynamical events faster than a few ms. Radiation damage and beam-induced motion blurring are other concerns in cryo-EM. In principle, in-liquid microscopy is a promising alternative capable of fully tracking molecular trajectories. However, specimen motion in the liquid environment results in resolution loss. Hence, short-pulse, high-brightness electron beams are needed to use the full potential of in-liquid microscopy.

The current Ph.D. work is a step towards the development and the characterization of an electron source that can fulfil the brightness requirement of in liquid microscopy. Brightness is defined as the angular current density per unit emission area. A novel fabrication method of a LaB6 field emitter source, using a combination of electrochemical etching and FIB milling, has been developed. These sharp emitters with size less than 100 nm can provide a brightness, defined in terms of reduced and angular normalized brightness, of up to 109Am-2Sr-1V-1 for electron microscopes. Moreover, experimental setups to characterize the energy spread and the angular current density of the resultant electron beam have been built. Additionally, the fabricated field emitters were triggered by pulsing the extraction voltage to generate 10μs e-pulses. The versatility of these field emitters is enhanced by the fact that they can emit >10 μA peak current in 10μs pulse duration at the same vacuum environment as Schottky emitters.

The experimental output of the current Ph.D. work is a promising leap towards the dream of capturing the structure and dynamics of biological systems in their native state on a molecular level.

Jüngste wissenschaftliche Fortschritte machten es möglich, physikalische, chemische und biologische Reaktionen in Raum und Zeit gleichzeitig zu verfolgen. Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), die mit dem Nobelpreis 2017 ausgezeichnet wurde, ermöglicht ein besseres Verständnis der biologischen Strukturen auf atomarer Ebene. Sie liefert jedoch keine Informationen über dynamische Ereignisse, die schneller als einige ms ablaufen. Strahlenschäden und strahlinduzierte Bewegungsunschärfen sind weitere Probleme bei der Kryo-EM. Im Prinzip ist die In-Flüssigkeits-Mikroskopie eine vielversprechende Alternative, die in der Lage ist, molekulare Trajektorien vollständig zu verfolgen. Allerdings führt die Bewegung der Probe in der flüssigen Umgebung zu Auflösungsverlusten. Daher werden kurzpulsige Elektronenstrahlen mit hoher Helligkeit benötigt, um das volle Potenzial der In-Flüssigkeits-Mikroskopie zu nutzen.

Die aktuelle Doktorarbeit ist ein Schritt in Richtung der Entwicklung und Charakterisierung einer Elektronenquelle, die die Helligkeitsanforderungen der In- Flüssigkeits-Mikroskopie erfüllen kann. Die Helligkeit ist definiert als die Winkelstromdichte pro Einheit der Emissionsfläche. Es wurde ein neuartiges Herstellungsverfahren einer LaB6-Feldemissionsquelle entwickelt, das eine Kombination aus elektrochemischem Ätzen und FIB-Fräsen verwendet.