用于电子轰击电离的尖锐场发射点的电化学蚀刻与表征

摘要

介绍了一种用于电化学蚀刻场发射尖端的方法。对蚀刻参数进行了表征，并研究了尖端在场发射模式下的工作性能。

摘要

本文介绍了一种通过在氢氧化钠（NaOH）溶液中电化学蚀刻钨棒来制备场发射尖端的滴落法新变体。给出了在蚀刻过程中改变蚀刻电流和所用NaOH溶液摩尔浓度的研究结果。还描述了利用扫描电子显微镜对尖端形貌进行成像以及在场发射模式下运行尖端的实验研究。所制备的场发射尖端旨在用作电子束源，通过电子轰击电离背景气体或蒸气产生离子，适用于潘宁阱质谱分析应用。

引言

尖锐的尖端或点长期以来被用于显微技术中，例如场离子显微镜（FIM）¹ 和扫描隧道显微镜（STM）²，并且已发展出多种制备不同材料尖锐尖端的技术³。这些尖锐尖端可通过施加高电压作为场发射点（FEP）工作，从而成为方便的电子束源。此类电子源的一个应用是通过电子轰击电离（EII）产生离子。在不希望热发射源引起温度波动的应用中，场发射点尤其具有优势。例如，在高精度彭宁阱中对背景气体或蒸气通过电子轰击电离产生离子的应用^4,5。

制备FEP的一种简单方法是在氢氧化钠（NaOH）溶液中对钨棒进行电化学蚀刻。该技术仅需基本设备即可实现，相对简便，且已被证明具有较高的可重复性和可靠性。文献中已描述了多种方法，且这些技术的改进仍在不断出现⁶。本文介绍一种在NaOH溶液中对钨尖进行电化学蚀刻的方法。本方法是薄层脱落技术^7,8和浮动层技术^9,10的改进版本。与这两种方法类似，该方法可在一次蚀刻过程中制备出两个尖端。尖端蚀刻实验装置的示意图见图1。

方案

1. 电化学蚀刻

1. 实验装置
   1. 仪器设备
      注意：电化学蚀刻装置需要一个标准的 0 - 30 V 直流（DC）台式电源及配套电缆、分液漏斗、宽底玻璃烧杯，以及带电绝缘手柄的标准铁杆和万用夹。还需要小螺丝、绝缘垫片和鳄鱼夹。其他附加物品如下所述，并在蚀刻装置示意图中展示。 图1，必须进行制备。
      1. 使用一根长约100 mm、直径6 mm的铝棒制作钨棒支架。在铝棒中心钻一个直径0.5 mm、深度约8 mm的孔，并在侧面加工一个用于安装4-40螺钉的螺纹孔，以固定钨棒。
      2. 使用一块尺寸约为 100 mm × 30 mm × 3 mm 的铜板制作对电极，在其上加工出一个尺寸约为 75 mm × 20 mm、深度为 1.5 mm 的储液槽，并在中心位置钻一个直径为 1.5 mm 的孔。在对电极背面安装长约 15 mm 的绝缘支撑柱。
      3. 使用一个尺寸约为 75 × 20 × 20 mm 的铜块，钻出一个直径 6 mm、深度 8 mm 的孔，制成一个 FEP 捕集器。
   2. 钨棒的制备
      1. 使用线剪将直径为0.5 mm的钨棒截成约25 mm长的段。
      2. 在超声波清洗机中用丙酮清洗棒材15分钟。

结果

蚀刻参数的研究

在蚀刻过程中，电源以恒流模式运行。随着钨棒被逐渐蚀刻（由于钨棒电阻增加），维持该恒定电流所需的电压会略有上升。当尖端完全被蚀刻穿透时，电流几乎降至零。由于上部尖端仍与蚀刻液接触，仍有微小电流通过。蚀刻过程中电流和电压随时间变化的曲线如图6所示。

图6. 刻蚀过程中的电流与电压。 蚀刻过程中电源提供的电流和电压。由于钨棒在蚀刻过程.......

讨论

我们已描述了在 NaOH 溶液中通过电化学蚀刻制备尖锐场发射点（FEPs）以及通过场发射模式操作来测试 FEPs 的简便方法。所描述的蚀刻方法是现有技术——薄片脱落法^7,8和漂浮层法^9,10——的一种改进。然而，我们发现该方法比上述方法更便于实施且更可靠。

在开始刻蚀程序之前，为尽量减少产生明显变形的针尖的可能性， 例如， 弯曲的尖端，如图所示 图2钨棒必须尽可能垂直地穿过铜阴极上的孔。在蚀刻过程中，应监测分液漏斗中 NaOH 的滴加速率，以确保铜阴极板内小储液区中 NaOH 液面保持大致恒定。蚀刻过程结束时，尖端底部将自行脱落，蚀刻电流会显著下降。在此电流下降后不久，应立即完全关闭蚀刻电流，以避免因持续蚀刻导致尖端变钝。然而，在此阶段对尖端进行一定程度的蚀刻或抛光有利于制备用于电子束源的场发射尖端（FEPs），因为该抛光阶段似乎能够使尖端表面更光滑并去除不规则结构。¹⁴在我们的实验设置中，当下端尖端脱落约100毫秒后设置截止时间，以制备半径约为100 nm的尖端。.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
钨棒 0.020" ×12"	ESPI Metals	http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten	3N8 纯度
50% 质量分数的 NaOH 溶液	Sigma-Aldrich	415413-500ML	500 ml
分液漏斗	Cole-Parmer	货号# WU-34506-03	250 ml
直流电源	BK Precision	1672	三路输出 0 - 32 V，0 - 3 A 直流电源
丙酮	Cole-Parmer	货号# WU-88000-68	500 ml
数据采集卡	国家仪器公司	NI PXI-6221	16 AI，24 DIO，2 AO
继电器	Magnecraft	276 XAXH-5D	7 A，30 V DC 干簧继电器
六通六" 锥形法兰十字接头	Kurt J Lesker	C6-0600
6" 至 2-3/4" 等径零长度变径法兰  （3次）	Kurt J Lesker	RF600X275
2-3/4" SHV 连接器密封法兰穿通件	Kurt J Lesker	IFTSG041033
2-3/4" 锥形法兰BNC穿通接头	Kurt J Lesker	IFTBG042033
2-3/4" conflat 法兰线性馈通装置	MDC	660006，货号 BLM-275-2
6" 锥形法兰盲板	Kurt J Lesker	F0600X000N
6" 锥形法兰窗口	Kurt J Lesker	VPZL-600
高压电源	吉时利仪器	Keithley 型号 #2290-5	0 - 5 kV 直流高压电源
皮安计	Keithley Instruments	Keithley 型号 #6485
法拉第杯	光束成像解决方案	FC-1 型法拉第杯