Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

Summary

Es wird ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von Feldemissionsspitzen vorgestellt. Es werden Ätzparameter charakterisiert und der Betrieb der Spitzen im Feldemissionsmodus untersucht.

Abstract

Eine neue Variante der Drop-off-Methode zur Herstellung von Feldemissionspunkten durch elektrochemisches Ätzen von Wolframstäben in einer NaOH-Lösung wird beschrieben. Es werden die Ergebnisse von Studien vorgestellt, in denen der Ätzstrom und die Molarität der im Ätzprozess verwendeten NaOH-Lösung variiert wurden. Die Untersuchung der Geometrie der Spitzen, indem sie mit einem Rasterelektronenmikroskop abgebildet und im Feldemissionsmodus betrieben werden, wird ebenfalls beschrieben. Die hergestellten Feldemissionsspitzen sind für den Einsatz als Elektronenstrahlquelle für die Ionenerzeugung durch Elektronenstoßionisation von Hintergrundgas oder -dampf in Penningfallen-Massenspektrometrieanwendungen vorgesehen.

Introduction

Scharfe Spitzen oder Punkte sind seit langem in Mikroskopieanwendungen, wie beispielsweise die Feldionenmikroskops (FIM) ¹ und dem Rastertunnelmikroskop (STM) ² und eine Reihe von Techniken zur Herstellung von scharfen Spitzen der verschiedenen Materialien wurden entwickelt ³ verwendet. Diese scharfen Spitzen können auch als Feldemissionspunkte (FEPs) betrieben werden, indem eine hohe Spannung für sie geltenden und dienen als bequeme Elektronenstrahlquelle. Eine Anwendung wie Quelle Ionenproduktion über Elektronenstoß-Ionisation (EII). Der FEP ist besonders vorteilhaft in Anwendungen, bei denen Temperaturschwankungen durch die thermische Emitter unerwünscht erzeugt. Zum Beispiel Ionenproduktion über EII von Hintergrundgas oder Dampf in hoher Präzision Penningfallen ^4,5.

Eine einfache Methode zur Herstellung FEPs ist elektrochemisch Wolframstäben in einer Natriumhydroxid (NaOH) Lösung ätzen. Diese Technik ist relativ einfach zu implementieren, mitbescheidenen Ausrüstung und wurde ziemlich reproduzierbar und zuverlässig erwiesen. Eine Anzahl von Verfahren sind in der Literatur beschrieben und Verbesserungen dieser Techniken weiterhin ⁶ zu erscheinen. Hier beschreiben wir ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von Wolfram Spitzen in einer NaOH-Lösung. Unser Verfahren ist eine Variation der Lamellen Drop-Off - Technik ^7,8 und die schwimmende Schicht Technik ^9,10. Wie diese beiden Methoden ermöglicht es die Produktion von zwei Spitzen aus einem einzigen Ätzvorgang. Ein Bild der Versuchsapparatur für die Spitzen Ätzen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Ätzvorrichtung. Fotografie des Versuchsapparatur für elektrochemische Ätzen von Wolframstäben verwendet mit NaOH - Lösung. Bitte klickenhier, um eine größere Version dieser Figur sehen.

Elektrochemische Ätzen von Wolfram in der wässrigen NaOH Base erfolgt über einen zweistufigen Prozess. Zunächst werden Zwischenwolframoxiden gebildet wird, und zweitens diese Oxide sind nicht-elektrochemisch das lösliche Wolframat-Anion zu bilden, gelöst. Dieses Verfahren wird beschrieben, in vereinfachter Form durch die beiden Reaktionen

(1) W + 6Oh ^- → WO _{3 (S)} + 3H ₂ O + 6e ^- und

(2) WO _{3 (S)} + 2OH ^- → WO ₄ ^2- + H ₂ O.

Die Ätzstroms und die NaOH-Lösung Molarität verwendet beeinflussen die Zeit und die erforderliche Spannung durch den Wolframstab zu ätzen. Die Untersuchung dieser Effekte werden vorgestellt und diskutiert. Noch wichtiger ist, haben die Ätzparameter einen Einfluss auf die Geometrie der Spitzen und als solche Feldemissionsmodus auf den Betrieb in. Die Geometrie der Spitzen wir produziert wurden durch Abbilden sie mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) charakterisiert. Diese Bilder können verwendet werden, um abschätzen zu können, um beispielsweise die Spitzenradius. Darüber hinaus wurden die Spitzen in Feldemissionsmodus durch Anlegen einer negativen Spannung von typischerweise einigen hundert Volt bis zu einigen Kilovolt, um sie und die Überwachung des sich ergebenden Elektronenemissionsstrom betrieben. Die Beziehung zwischen der Feldemissionsstrom, I, und die angelegte Vorspannung, V, kann ¹¹ durch die Fowler-Nordheim - Gleichung beschrieben werden

(3) I = AV ² e ^{-Cr _eff / V,}

wobei R _eff der effektive Radius der Spitze ist, A eine Konstante ist und C die zweite Fowler-Nordheim - Konstante In denen b = 6,83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> ist die Austrittsarbeit von Wolfram ( ≈ 4,5 eV), k ist ein Faktor, der von der Geometrie abhängt (k ≈ 5) und ist der Korrekturterm Nordheim Bild ( ≈ 1) ^12. Somit kann der effektive Radius der Spitze durch Messung des Elektronenstroms als Funktion der Vorspannung bestimmt werden. Genauer gesagt, es kann aus der Steigung einer sogenannten Fowler-Nordheim (FN) Auftragung von ln (I / V ²⁾ vs 1 / V erhalten werden.

Protocol

1. elektrochemisches Ätzen

1. Versuchsaufbau
   1. Gerät
      Hinweis: Die elektrochemisches Ätzen von Set-up erfordert eine Standard-0-30 V Gleichstrom (DC) Benchtop-Stromversorgung und entsprechenden Kabel, ein Trenntrichter, eine breite Basis Becherglas und Standardstab und Versorgungsklemme mit elektrisch isolierenden Griff. Kleine Schrauben, isoliert Stand-offs, und Krokodilklemmen wird auch erforderlich sein. Zusätzliche Elemente, unten beschrieben und im Bild der Ätzvorrichtung in 1, muss hergestellt werden gezeigt.
      1. Machen Sie einen Wolframstabhalter aus einem etwa 100 mm Länge 6 mm Durchmesser Aluminiumstange. Bohren Sie ein 0,5 mm Durchmesser ca. 8 mm tiefes Loch in der Mitte, und machen eine Gewindebohrung für eine 4-40 Schraube in der Seite der Stange in Position zu halten.
      2. Machen Sie eine Gegenelektrode aus einem etwa 100 mm x 30 mm x 3 mm dicke Kupferplatte mit einem ca. 75 mm x 20 mmx 1,5 mm tief Reservoir hinein gefräst, und ein 1,5 mm Durchmesser Loch in der Mitte. Befestigen etwa 15 mm lang isolierte Abstandshalter an der Rückseite der Gegenelektrode.
      3. Machen Sie einen FEP Fänger durch einen 6 mm Durchmesser 8 mm tiefes Loch in eine etwa 75 x 20 x 20 mm Kupferblock zu bohren.
   2. Herstellung von Wolframstab
      1. Verwenden Sie Draht Clippers, die 0,5 mm Durchmesser Wolframstäbe in etwa 25 mm Länge geschnitten.
      2. Reinigen der Stäbe in Aceton in einem Ultraschallbad für 15 min.
      3. Spülen Sie die Stangen mit entsalztem Wasser.
   3. Ätzlösung
      Achtung: NaOH-Lösung ist eine ätzende Alkalilösung NFPA 704 Label: Entzündbarkeit (0), Gesundheit (3), Instabilität / Reaktivität (0), Special (COR) -und kann Verätzungen verursachen, wenn es in Kontakt mit der Haut kommt oder Augen. Das Einatmen von Dämpfen kann zu Reizungen und Verätzungen der Atemwege führen. Wenn NaOH-Lösung Handhabung, wear Laborschutzbrille und Gesichtsschutz zum Schutz der Augen und Handschuhe und eine Schürze um die Haut zu schützen. Führen Sie den Ätzvorgang in einer Abzugshaube oder ein Beatmungsgerät tragen. Es sollte darauf geachtet werden, wenn Schritt 1.1.3.1 Durchführen der verdünnten NaOH-Lösung zu erzeugen. Dieser Prozess ist sehr exotherm und kann die Wärme freisetzen, die zu Verbrennungen führen oder sich entzünden entzündliche Stoffe verursachen und könnte die Lösung zu spritzen aus dem Behälter führen.
      1. Machen Sie eine 1,5 M NaOH-Lösung von 30 ml 50 Gewichts-% NaOH-Lösung mit 370 ml entsalztem Wasser Kombination eines 400 ml Gesamtvolumen zu machen.
      2. Füllen Sie einen Trenntrichter mit der NaOH-Lösung.
   4. Cut-off - Schaltung
      Hinweis: Wenn die DC-Stromversorgung manuell betrieben werden soll, dann wird der Bediener die Stromzufuhr ab, wenn die Wolframstab den ganzen Weg durch geätzt wurde (siehe 1.2.2). Bei manueller Betrieb, überspringen 1.2 zu Schritt. Für automatische Abschaltung der Gleichstromversorgung, die Cut-Off-Schaltung (siehe 2 und unten) beschrieben, sollte aufgebaut werden. Hier setzen wir die Computersteuerung mit einer DAQ-Karte.
      1. Schließen Sie ein Amperemeter in Reihe mit der Gleichstromversorgung.
      2. Schließen Sie zwei Widerstände R ₁ und R ₂ in Serie und parallel statt mit der Wolframstab / Gegenelektrode Ätzen Bein der Schaltung. (Sollwerte für R ₁ und R ₂ R ₁ = 5 k & OHgr; und R & _sub2 ; = 10 k & OHgr;) .
      3. Überwacht die Spannung über einen der Widerstände mit einem Analog-Digital - Wandler (ADC) und geeignete Computersteuersoftware, beispielsweise LabVIEW. Die überwachte Spannung, V _mon kann über beide Widerstände und damit auf die Spannung in Beziehung gesetzt werden, die Spannung über der Ätz Bein-, V - _Ätzung über
         (4) .
         whier die Spannung an R wird ₁ überwacht.
      4. Eine Verbindung mit einem geringen Widerstand Widerstand R _L = 1 Ω, in Serie in der Ätz - Schaltung. Verwenden, um einen zweiten Kanal auf der ADC die Spannung über diesen Widerstand zu erfassen. Der Ätzstroms wird dann über i ≈ V _L / R _{L ätzen} gefunden. (Es werden nur etwa 1 fließt mA den Monitor Zweig des Kreises zu werfen.)
      5. In der Software erstellen Sie ein Programm zur Ausgabe eines 5-V-TTL-Signal aus dem digitalen Ein- / Ausgabekanal (DI / O), wenn entweder die Ätzspannung steigt über einem Sollwert oder die Ätzstroms unter einen festgelegten Wert, was darauf hinweist, dass die Wolframstab ist den ganzen Weg durch geätzt. Diese Werte hängen von der Ätzstroms und NaOH-Lösung Molarität verwendet werden und sollte mit einem Testlauf des Experiments bestimmt werden.
      6. Wie in Abbildung 2 gezeigt, sorgen für die 5 - V - TTL - Signal oStift ein Relais den Stromfluss zu stoppen.

Figur 2 Prinzipschalt des Ätzens. Eine schematische Zeichnung des Ätzens Schaltung verwendet , um die konstante DC Ätzstrom zu liefern. Der Strom wird durch Überwachen der Spannung über einen Widerstand mit niedrigem Widerstand bestimmt, und die Spannung wird durch Überwachen der Spannung über einen Widerstand mit hohem Widerstand unter Verwendung eines ADC aufgezeichnet. Ein Computerprogramm überwacht den Strom und liefert eine 5 - V - Ausgangssignal an ein Relais, das die Ätzkreislauf einmal der Strom fällt unter einen bestimmten Wert geöffnet. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Etching Verfahren
   1. Vorrichtung Vorbereitung
      1. Stellen Sie die appar upatus wie in Figur 1, mit dem Kupfer FEP Fängerblock innerhalb des Breitbasisbecherglas gegeben und der Kupferkathode darüber befindlichen gezeigt, voneinander durch die isolierende Abstandshalter ab.
      2. Stellen Sie den Strom auf der Gleichstromversorgung auf den gewünschten Wert, typischerweise 200 mA.
      3. Legen Sie eine Wolframstab in der Halterung und schließen Sie den positiven Anschluss der Gleichstromversorgung an der 4-40 Halteschraube mit einer Krokodilklemme.
      4. Legen Sie die Wolframstab durch das Loch in der Kupferkathode, so dass etwa 12 mm von der Wolframstab durch das Loch.
      5. Die negative Klemme der Stromversorgung mit der Kupferkathode mit einer anderen Krokodilklemme.
   2. Radierung
      1. Manuelle Einstellung der Tropfrate des Trenntrichter alle 3 Sek die Tropfrate durch das Loch, etwa 1 Tropf übereinstimmen. Warten Sie auf das Reservoir in der Kupferkathode voll zu werden.
      2. Schalten Sie die Gleichstromversorgung zu bz.Beisp Ätzen.
      3. Wenn im manuellen Modus betrieben wird, schalten Sie die DC-Stromversorgung, wenn der untere Teil der Spitze ätzt den ganzen Weg durch und fällt ab. Wenn mit einer Abschaltautomatik Schalter betätigen, wird der Ätzstroms cut-off automatisch, sobald die Stange ätzt durch.

2. Charakterisierung von Feldemissions-Punkte

1. Inspektion von Tipps
   1. Entfernen Sie vorsichtig mit einer Zange oder Pinzette, um die untere Spitze aus dem Catcher Block. Entfernen Sie die obere Spitze von dem Stabhalter Wolfram durch die 4-40 Schraube lösen und vorsichtig die obere Spitze aus mit der Zange oder Pinzette ziehen.
   2. Spülen mit Aceton und dann mit entsalztem Wasser.
   3. Untersuchen mit einem optischen Mikroskop. Tipps sollen zu einer feinen Spitze verjüngend zu sehen. Diejenigen , die dies nicht tun, beispielsweise , weil sie gebogen werden oder nicht regelmäßige Kegelstruktur haben, sollten verworfen werden. 3 zeigt ein Beispiel für (a) Ein guter Tipp und (b) eine gebogene Spitze.
   4. Shop Tipps in einem Exsikkator.

Abbildung 3. Optische Bild von FEP Spitzen. Bild von (a) eine gute Spitze und (b) eine schlechte Spitze, wie durch ein optisches Mikroskop betrachtet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Rasterelektronenmikroskop (SEM) Imaging
   1. Für SEM Imaging, sichere FEP - Tipps zu einem leitenden Halter mit Klebeband leitenden oder von ihnen zu Anschrauben (zB siehe Abbildung 4) und Bild in einem SEM nach dem Protokoll des Herstellers bei Vergrößerungen von etwa 1,800X und 37,000X den Kegel zu sehen der Spitze und dem Ende der Spitze, respectively.


Abbildung 4. FEP Halterung für SEM - Bildgebung. Ein Bild von (a) oben und (b) der Boden des Halters verwendet FEPs zu sichern , während Bildgebung mit dem SEM. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.


Abbildung 5. Feldemissionsvorrichtung. Schematische Darstellung der verwendeten Vorrichtung einen HV zu den FEPs aufzubringen , während unter Vakuum einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Der Elektronenstrahlstrom auf dem Faraday - Cup mit einem Picoammeter überwacht wird. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

4. Gerät
   Hinweis: Für die Feldemissions die folgenden Tests oder ähnliche Anlagen erforderlich sind: ein 6-Wege-6 "Conflat Flanschquerschnitte als eine Vakuumkammer zu dienen, drei 6" bis 2 ¾ "Conflat Flansch Länge Null-Adapter, eine SHV (Safe Hochspannung) Durchführung auf einem 2 ¾ "Conflat Flansch, eine BNC-Durchführung auf einem 2 ¾" Conflat Flansch, eine lineare Durchführung auf einem 2 ¾ "Conflat Flansch, ein 6" Conflat Flansch Fenster, ein 6 "Conflat Flansch leer aus, ein Turbovakuumpumpe zu einem 6 "Conflat angeflanscht und eine Pumpe (zB eine Pumpe Scroll) für den Turbo. eine Hochspannung (HV) Netzteil , welches auf -5 kV liefert bis auf Vorspannung benötigt der FEP, und ein Picoammeter erforderlich , um den Elektronenstrom aus dem FEP und gesammelt auf einem Faraday - cup, siehe zum Beispiel ^13. anstelle einer Faraday - cup, eine einfache leitende Sammelplatte verwendet werden , emittiert zu überwachen. ein schematic der Feldemissions Set-up ist in Abbildung 5 dargestellt.
   1. Machen Sie eine zweite Wolframstabhalter (siehe Schritt 1.1.1.1). Im entgegengesetzten Ende des Halters mit dem FEP bohren, um einen Durchmesser von 1 mm Loch bohren und ein Loch in der Seite der Stange für eine 4-40 Schraube tippen sie auf die Vakuumseite der SHV-Durchführung zu sichern.
   2. Einrichtungsvorrichtung die Feldemission , wie in 5 gezeigt. Der Becher Faraday sollte etwa 2 cm von dem Ende des FEP sein.
   3. Schließen Sie die HV Versorgung der SHV-Durchführung, die der FEP Halter ist an, und schließen Sie das Picoammeter an die BNC-Durchführung, dass der Faraday-Becher befestigt ist.
   4. Abpumpen der Set-up zu einem Druck von ^10-6 mbar oder darunter.
5. Feldemissions
   1. Erhöhen Sie die Vorspannung auf dem FEP und überwachen den Elektronenstrahlstrom auf dem Faraday-Cup mit einem Picoammeter. Wenn Feldemission beginnt, wird ein Strom beobachtet aufdie Picoammeter.
   2. Erhöhen Sie die HV in inkrementalen Schritten (etwa 50 V) und notieren Sie die mittlere Elektronenstrahlstrom auf dem Picoammeter bei jedem Schritt. (Dieser Prozess kann computergesteuert beispielsweise durch eine LabVIEW - Programm sein , falls gewünscht, oder kann manuell erfolgen). Halten Sie den Elektronenstrahlstrom unter 1 uA.
6. Anlage
   1. in Feldemissionsmodus bei 5 nA für 1 Stunde Erhaltung der Spitze durch den Betrieb.
   2. Wiederholen Sie den aktuellen vs HV Scan von 2.3.2.2.

Results

Studium der Ätzparametern

Während des Ätzprozesses wird die Stromversorgung in konstantem Strom betrieben. Die Spannung erforderlich, um diese konstante Strom steigt leicht zu halten, wenn die Wolframstab weggeätzt wird (aufgrund der Erhöhung des Widerstandes der Stange). Der Strom fällt fast auf Null, wenn die Spitze durch den ganzen Weg ätzt. Ein kleiner Strom weiterhin aufgrund der Tatsache fließt, daß die ...

Discussion

Wir haben einfache Verfahren beschrieben elektrochemisch scharfe Feldemissionspunkte (FEPs) in einer NaOH-Lösung zu ätzen, und die FEPs zu testen, indem sie in Feldemissionsmodus betrieben wird. Das Ätzverfahren beschrieben ist eine Variation der bestehenden Techniken-Lamellen Drop-Off - Technik ^7,8 und der Schwimmschicht - Technik ^9,10. Allerdings fanden wir es bequemer und zuverlässiger zu implementieren als die zuvor genannten Verfahren.

Bevor der Ätzvorgang beginnen...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Wolframstab 0,020" x 12"	ESPI Metals	http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten	3N8 Reinheit
50 Gew.-% NaOH-Lösung	Sigma-Aldrich	415413-500ML	500 ml
Scheidetrichter	Cole-Parmer	Artikel#  WU-34506-03	250 ml
DC Netzteil	BK Precision	1672	Triple Output 0 - 32 V, 0 - 3 A DC Netzteil
Aceton	Cole-Parmer	Artikel#  WU-88000-68	500 ml
Datenerfassungskarte	National Instruments	NI PXI-6221	16 AI, 24 DIO, 2
AO Relais	Magnecraft	276 XAXH-5D	7 A, 30 V DC Relais
6-fach 6" Konflat-Flansch Kreuz	Kurt J Lesker	C6-0600
6" auf 2-3/4" Konflat-Nulllängen-Reduzierflansch  (x3)	Kurt J Lesker	RF600X275
2-3/4" Flachflansch SHV Durchführung	Kurt J Lesker	IFTSG041033
2-3/4" Flachflansch BNC Durchführung	Kurt J Lesker	IFTBG042033
2-3/4" Flachflansch lineare Durchführung	MDC	660006, REF# BLM-275-2
6" Flachflansch Blindflansch	Kurt J Lesker	F0600X000N
6" Conflat Flanschfenster	Kurt J Lesker	VPZL-600
HV Netzteil	Keithley Instruments	Keithley Modell #2290-5	0 - 5 kV DC HV Netzteil
Picoamperemeter	Keithley Instruments Keithley Modell	#6485
Faraday	Cup Beam Imaging Solutions	Modell FC-1 Faraday Cup