Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Feldemissionspunkte oder FEPs durch elektrochemisches Ätzen von Wolframstäben herzustellen und diese anschließend im Feldemissionsmodus zur Erzeugung eines Elektronenstrahls zu nutzen. Der mit dieser Methode hergestellte FEP kann eine praktische Elektronenquelle bereitstellen, die beispielsweise in der Elektroneneinschlagsionisation zur Erzeugung von Ionen für Anwendungen wie die Massenspektrometrie verwendet werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie zuverlässig ist und mit bescheidenem apparativen Aufwand relativ einfach umzusetzen ist.

Die Teile des Verfahrens werden Eranjan und Nadeesha, Doktoranden aus meinem Labor, demonstrieren. Beginnen Sie mit der Vorbereitung von Stücken einer Wolframstange mit 0,5 Millimeter Durchmesser. Schneiden Sie die Stange mit einer Drahtschere in 25 Millimeter lange Stücke.

Aus einem 12-Zoll-Stab können etwa ein Dutzend kleine Stäbe hergestellt werden. Anschließend die Stäbe mittels Beschallung 15 Minuten lang in Aceton reinigen. Nach dem Acetonbad die Stäbe einige Sekunden lang mit entionisiertem Wasser spülen.

Bereiten Sie anschließend die Natronlauge unter Einhaltung aller Sicherheitsvorkehrungen vor. Der Vorgang ist stark exotherm und kann Wärme freisetzen, die Verbrennungen verursachen oder brennbare Stoffe entzünden kann, sowie ein Verspritzen der Lösung aus dem Behälter bewirken. Nach der Herstellung überführen Sie die Natronlauge in eine Waschflasche und füllen damit einen Trenntrichter mit einer 1,5-molaren Natronlauge.

Richten Sie die Apparatur ein, indem Sie den Kupfer-FEP-Auffangblock in einen breitbasigen Glasbecher stellen und eine Kupferkathode oberhalb davon positionieren, die mit isolierenden Abstandshaltern fixiert ist. Stellen Sie anschließend den Strom an der Gleichstromquelle auf den gewünschten Wert ein, typischerweise 200 Milliampere. Danach bringen Sie eine Wolframstange im Halter an und verbinden den positiven Anschluss der Stromquelle mit der 4-40-Halteschraube.

Stecken Sie nun den Wolframstab durch das Loch in der Kupferkathode. Führen Sie den Stab etwa 12 mm über das Loch hinaus. Anschließend verbinden Sie die negative Anschlussklemme der Stromversorgung mit der Kupferkathode.

Danach stellen Sie die Tropfgeschwindigkeit aus dem Trenntrichter so ein, dass sie der Tropfgeschwindigkeit durch das Loch entspricht. Streben Sie etwa einen Tropfen alle drei Sekunden an. Warten Sie, bis das Reservoir an der Kupferkathode gefüllt ist, bevor Sie fortfahren.

Als Nächstes schalten Sie die Gleichstromversorgung ein, um die Ätzung zu starten. Die automatische Abschaltvorrichtung unterbricht den Strom, sobald der Stab durchgeätzt ist. Um die FEPs zu überprüfen, nehmen Sie das untere FEP vorsichtig mit einer Zange oder Pinzette vom Auffangblock ab.

Entfernen Sie die obere FEP aus der Halterung, indem Sie die 4-40-Schraube lösen und sie vorsichtig herausziehen. Spülen Sie den geätzten Stab dann kurz mit Aceton und anschließend mit entionisiertem Wasser ab. Bewahren Sie die FEPs in einem Exsikkator auf.

Zunächst wählen Sie einen FEP unter dem Mikroskop aus und untersuchen Sie ihn. Die Spitze sollte sich zu einem feinen Punkt verjüngen. FEPs, die gebogen sind oder eine unregelmäßige Struktur aufweisen, sollten verworfen werden.

Der Aufbau für den Feldemissionstest umfasst eine Vakuumkammer, elektrische Durchführungen, Pumpen, eine Hochspannungsstromversorgung, ein Pikoamperemeter und eine Faraday-Kammer oder eine einfache leitfähige Sammelelektrode auf einer linearen Durchführung. Für den Aufbau wird außerdem ein FEP-Halter benötigt. Die Faraday-Kammer sollte etwa zwei Zentimeter von der Spitze des FEP entfernt positioniert werden.

Als Nächstes schließen Sie die Hochspannungsquelle an den SHV-Feedthrough an, der mit dem FEP-Halter verbunden ist. Anschließend verbinden Sie das Pikoamperemeter mit dem BNC-Feedthrough, an den die Faraday-Becher angebracht sind. Pumpen Sie die Apparatur nun auf einen Druck von einem Zehntausendstel Millibar oder weniger herunter.

Wenn der Druck abgesunken ist, erhöhen Sie schrittweise die Vorspannung am FEP und überwachen Sie den Elektronenstrahlstrom am Faraday-Becher. Wenn ein Strom registriert wird, hat die Feldemission begonnen. Erhöhen Sie nun den Hochspannungsstrom in kleinen Schritten, beispielsweise um 50 Volt.

Notieren Sie in jedem Schritt den durchschnittlichen Elektronenstrahlstrom. Erhöhen Sie den Strom hier nicht über einen Mikroampere. Der Test ist abgeschlossen, wenn die Spannung ihren Maximalwert erreicht hat und der Strom bei einigen hundert Nanoampere liegt.

Nach dem ersten FEP-Test verwenden Sie die Konditionierung, um die Spitze zu reinigen. Betreiben Sie dazu den Prüfaufbau etwa eine Stunde lang im Feldemissionsmodus bei etwa fünf Nanoampere. Wiederholen Sie anschließend die Strom-Spannungs-Scan-Messung.

Die Spannung, die erforderlich ist, um einen konstanten Ätzstrom aufrechtzuerhalten, steigt leicht an, während die Wolframspitze abgeätzt wird. Anschließend sinkt der Strom nahezu auf null, wenn die Spitze vollständig durchgeätzt ist. Die zum Durchätzen der Spitze benötigte Zeit hängt von der Stromstärke und der Molarität der Lösung ab.

Die Ätzrate steigt linear mit dem Strom an. Wie vom Ohmschen Gesetz erwartet, ist die Ätzspannung linear proportional zum Strom, und die Spannung, die erforderlich ist, um den konstanten Strom bereitzustellen, nimmt mit steigender Molarität aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit der Lösung ab. Wenn der FEP im Feldemissionsmodus betrieben wird, treffen Elektronen vom FEP auf die Faraday-Kupfer und der Strom wird aufgezeichnet.

Nach dem Konditionierungsprozess zündete die FEP bei einer niedrigeren Spannung, was darauf hindeutet, dass ein geringeres Vorspannungspotential an der FEP ausreicht, um Elektronen zu entfernen, und dass der effektive Radius der FEP abgenommen hatte. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man FEPs mittels elektrochemischem Ätzen herstellt, wie man sie zur Erzeugung eines Elektronenstrahls verwendet und wie man die FEP charakterisiert.