Elettrochimica Acquaforte e caratterizzazione di punte acuminate campo di emissione per impatto elettronico di ionizzazione

Summary

Viene presentato un metodo per l'incisione elettrochimica delle punte di emissione del campo. Vengono caratterizzati i parametri di incisione e viene studiato il funzionamento delle punte in modalità di emissione sul campo.

Abstract

Viene descritta una nuova variante del metodo di drop-off per la fabbricazione di punti di emissione di campo incidendo elettrochimicamente barre di tungsteno in una soluzione di NaOH. Vengono presentati i risultati degli studi in cui la corrente di mordenzatura e la molarità della soluzione di NaOH utilizzata nel processo di mordenzatura sono state variate. Viene anche descritto lo studio della geometria delle punte, mediante imaging con un microscopio elettronico a scansione e il loro funzionamento in modalità di emissione di campo. Le punte di emissione sul campo prodotte sono destinate ad essere utilizzate come sorgente di fasci di elettroni per la produzione di ioni tramite ionizzazione a impatto elettronico di gas o vapore di fondo in applicazioni di spettrometria di massa a trappola di Penning.

Introduction

Punte taglienti o punti sono da tempo utilizzati in applicazioni di microscopia, come il microscopio campo di ioni (FIM) ¹ e il microscopio a effetto tunnel (STM) ^2, e una serie di tecniche per produrre punte taglienti di vari materiali sono stati sviluppati ^3. Questi suggerimenti taglienti possono anche essere utilizzati come punti di emissione di campo (FEP) applicando una tensione elevata a loro, e servono come fonte fascio elettronico conveniente. Un'applicazione di come sorgente è produzione di ioni tramite ionizzazione elettronica (EII). Il FEP è particolarmente vantaggioso in applicazioni dove fluttuazioni di temperatura prodotte da emettitori termici sono indesiderabili. Ad esempio, la produzione di ioni attraverso EII di gas di fondo o di vapore ad alta precisione Penning intrappola ^4,5.

Un metodo semplice per la fabbricazione FEP è per incidere elettrochimicamente aste di tungsteno in una soluzione di idrossido di sodio (NaOH). Questa tecnica è relativamente semplice da implementare conattrezzature modesto e ha dimostrato di essere molto riproducibile e affidabile. Un certo numero di metodi sono descritti in letteratura e miglioramenti a queste tecniche continuano ad apparire ^6. Qui si descrive un metodo per l'attacco elettrochimico di punte di tungsteno in una soluzione di NaOH. Il nostro metodo è una variante della lamella drop-off tecnica ^7,8 e il galleggiante tecnica strato ^9,10. Come questi due metodi consente la produzione di due punte da un unico procedimento di incisione. Una maschera dell'apparato sperimentale per l'incisione delle punte è mostrato in Figura 1.

Figura 1. Apparecchio Acquaforte. Fotografia della apparato sperimentale utilizzato per attacco elettrochimico di barre di tungsteno con una soluzione di NaOH. Si prega di fare clicqui per vedere una versione più grande di questa figura.

attacco elettrochimico del tungsteno nella base acquosa NaOH avviene tramite un processo a due stadi. Innanzitutto, ossidi di tungsteno intermedi sono formati, e in secondo luogo, questi ossidi sono non elettrochimicamente disciolti per formare l'anione tungstato solubile. Questo processo è descritto, in forma semplificata, le due reazioni

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

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

La corrente incisione e la soluzione molarità NaOH usato influenzano il tempo e la tensione necessaria per incidere attraverso l'asta di tungsteno. Gli studi di questi effetti sono presentati e discussi. Ancora più importante, i parametri di attacco hanno un effetto sulla geometria delle punte e, come tale, il loro funzionamento in modalità emissione di campo. La geometria del suggerimenti che abbiamo prodotto sono stati caratterizzati da loro l'imaging con un microscopio elettronico a scansione (SEM). Tali immagini possono essere utilizzate per stimare, per esempio, il raggio della punta. Inoltre, le punte sono gestiti in modalità emissione di campo applicando una tensione negativa di tipicamente qualche centinaio di volt a qualche kilovolt loro e monitorare la corrente di emissione di elettroni risultante. Il rapporto tra la corrente di emissione di campo, I, e applicata tensione di polarizzazione, V, può essere descritto dall'equazione Fowler-Nordheim ¹¹

(3) I = AV ² e ^{-Cr _eff / V,}

dove r _eff è il raggio effettivo della punta, A è una costante, e C è la seconda costante di Fowler-Nordheim , In cui b = 6,83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> è la funzione lavoro di tungsteno ( ≈ 4,5 eV), k è un fattore che dipende dalla geometria (k ≈ 5), e è il termine Nordheim correzione dell'immagine ( ≈ 1) ^12. Pertanto, il raggio effettivo della punta può essere determinata misurando la corrente di elettroni in funzione della tensione di polarizzazione. In particolare, esso può essere ottenuto dalla pendenza di una trama cosiddetto Fowler-Nordheim (FN) di ln (I / V ²⁾ vs 1 / V.

Protocol

1. elettrochimica Acquaforte

1. Setup sperimentale
   1. apparato
      Nota: L'elettrochimica incisione set-up richiede uno standard di 0 - 30 V corrente continua (DC) di potenza da banco di alimentazione e gli appropriati cavi diretti, imbuto separatore, un ampio bicchiere di vetro di base e asta di serie e morsetto di servizio con impugnature isolanti elettricamente. saranno inoltre tenuti piccole viti, isolate di stand-off, e morsetti a coccodrillo. Ulteriori elementi, di seguito descritte e illustrate nella tabella dell'apparecchiatura di attacco di figura 1, deve essere fabbricate.
      1. Fare un supporto di asta di tungsteno da una lunghezza di circa 100 mm asta in alluminio del diametro di 6 mm. Eseguire un 0,5 mm di diametro 8 mm circa buco profondo nel centro, e fare un foro filettato per una vite 4-40 nel lato per tenere l'asta in posizione.
      2. Fare un contro-elettrodo da un x 30 mm x 3 mm piastra di rame circa 100 mm di spessore con uno di circa 75 mm x 20 mmx 1.5 mm di profondità serbatoio lavorato in esso, e un foro di 1,5 mm di diametro al centro. Attaccare di circa 15 mm lungo isolati distanziatori alla parte posteriore del contro-elettrodo.
      3. Fare un collettore FEP praticando un buco profondo 6 millimetri diametro di 8 mm in un blocco di rame di circa 75 x 20 x 20 mm.
   2. Preparazione dell'asta tungsteno
      1. Utilizzare tagliaunghie filo per tagliare i 0,5 mm di diametro aste di tungsteno in circa 25 lunghezze mm.
      2. Pulire le aste in acetone in un bagno ad ultrasuoni per 15 minuti.
      3. Risciacquare le aste con acqua deionizzata.
   3. soluzione di incisione
      Attenzione: soluzione di NaOH è un corrosivo alcali soluzione-NFPA 704 etichette: infiammabilità (0), salute (3), Instabilità / Reattività (0), Speciale (COR) -e possono causare ustioni chimiche se viene a contatto con la pelle o occhi. L'inalazione di fumi può causare irritazione e ustioni al tratto respiratorio. Quando si maneggia soluzione di NaOH, WEAr occhiali di protezione antispruzzo e visiera per proteggere gli occhi e guanti e un grembiule per proteggere la pelle. Eseguire la procedura di incisione in una cappa aspirante o indossare un respiratore. Si deve prestare attenzione durante l'esecuzione passo 1.1.3.1 per produrre la soluzione di NaOH diluita. Questo processo è altamente esotermica e può rilasciare calore che può provocare ustioni o infiammarsi infiammabili, e potrebbe causare la soluzione spruzzare fuori dal contenitore.
      1. Fare una soluzione 1,5 M di NaOH combinando 30 ml di 50% in peso soluzione di NaOH con 370 ml di acqua deionizzata per fare un volume totale di 400 ml.
      2. Riempire un imbuto separatore con la soluzione di NaOH.
   4. Circuito di Cut-off
      Nota: Se l'alimentazione DC deve essere azionato manualmente, quindi l'operatore si accende l'alimentazione fuori una volta che l'asta di tungsteno ha inciso tutto il percorso attraverso (vedi 1.2.2). In caso di funzionamento manuale, passare al punto 1.2. Per taglio automatico della tensione di alimentazione DC, il circuito di cut-off (mostrato in Figura 2 e descritto di seguito), dovrebbero essere costruite. Qui, implementiamo il controllo del computer tramite una scheda DAQ.
      1. Collegare un amperometro in serie con l'alimentatore DC.
      2. Collegare due resistenze, R ₁ e R ₂ in serie ed in parallelo con il tungsteno asta / controelettrodo incisione tappa del circuito. (Valori nominali per R ₁ e R ₂ sono R ₁ = 5 kΩ e R ₂ = 10 k.)
      3. Monitorare la tensione attraverso una delle resistenze con un convertitore analogico-digitale (ADC) ed adatto software di controllo del computer, ad esempio, LabVIEW. La tensione monitorato, V _mon, può essere correlata alla tensione attraverso entrambe le resistenze e quindi, la tensione ai capi della gamba di attacco, V _etch, tramite
         (4) ,
         wQui la tensione viene monitorato attraverso R _1.
      4. Collegare una resistenza bassa resistenza, R _L = 1 Ω, in serie nel circuito di incisione. Utilizzare un secondo canale sul ADC per registrare la tensione attraverso il resistore. La corrente di incisione viene poi trovato via i _Etch ≈ V _L / R _L. (Solo circa 1 mA scorre lanciare la gamba del monitor del circuito.)
      5. Nel software, creare un programma per emettere un segnale 5 V TTL dalla ingresso digitale / canale di uscita (DI / O) quando uno le tensione di attacco aumenta al di sopra di un set-valore, o l'incisione corrente scende al di sotto di un valore impostato, indicando che il asta di tungsteno ha inciso tutto il percorso attraverso. Questi valori dipendono dalla corrente incisione e NaOH soluzione molarity utilizzato e devono essere determinati con una corsa di prova dell'esperimento.
      6. Come mostrato in figura 2, organizzare il segnale 5 V TTL open un relè per interrompere il flusso di corrente.

Figura 2. Schema di incisione circuito. Un disegno schematico del circuito incisione utilizzato per fornire la corrente incisione continua costante. La corrente è determinata monitorando la tensione attraverso un resistore bassa resistenza e la tensione viene registrata monitorando la tensione ai capi di un resistore ad alta resistenza con un ADC. Un programma per elaboratore controlla la corrente e fornisce un segnale di 5 V in uscita ad un relè che apre il circuito di incisione una volta che la corrente scende al di sotto di un valore specificato. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. procedura Acquaforte
   1. preparazione apparato
      1. Impostare il apparatus come mostrato in figura 1, con il rame FEP blocco collettore posto all'interno della vasta bicchiere di vetro di base e il catodo di rame situata sopra di esso, distanziato fuori dal distanziatori isolanti.
      2. Impostare la corrente sul alimentatore DC al valore desiderato, tipicamente 200 mA.
      3. Inserire un'asta di tungsteno nel supporto e collegare il terminale positivo dell'alimentatore CC alla vite 4-40 tenuta con un coccodrillo.
      4. Inserire l'asta di tungsteno attraverso il foro nel catodo di rame in modo che circa 12 mm dell'asta tungsteno passa attraverso il foro.
      5. Collegare il terminale negativo dell'alimentazione al catodo di rame con un altro coccodrillo.
   2. acquaforte
      1. regolare manualmente la velocità di gocciolamento del imbuto separatore per abbinare il tasso di gocciolamento attraverso il foro, di circa 1 a goccia ogni 3 secondi. Attendere che il serbatoio del catodo di rame per diventare completo.
      2. Accendere l'alimentazione DC a bEGIN incisione.
      3. Se si opera in modalità manuale, spegnere l'alimentazione DC una volta che la parte inferiore della punta incide tutto il percorso attraverso e cade. Se si opera con un interruttore di spegnimento automatico, la corrente incisione sarà cut-off automaticamente una volta che l'asta incide attraverso.

2. Caratterizzazione dei punti di emissione Campo

1. Ispezione di consigli
   1. Rimuovere con attenzione la punta in basso dal blocco collettore con una pinza o pinzette. Rimuovere la punta superiore del supporto di asta di tungsteno allentando la vite 4-40 e tirando delicatamente la punta in alto con le pinze o pinzette.
   2. Risciacquare con acetone e poi con acqua deionizzata.
   3. Esaminare con un microscopio ottico. Consigli dovrebbero essere viste a cono ad una punta fine. Quelli che non, per esempio, perché sono piegati o non hanno una struttura a cono regolare, dovrebbe essere scartato. La figura 3 mostra un esempio di (un) Una buona mancia e (b) una punta piegata.
   4. suggerimenti Conservare in un essiccatore.

Figura 3. immagine ottica di consigli FEP. Immagine di (a) una buona mancia e (b) un cattivo suggerimento, come visto attraverso un microscopio ottico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Microscopio elettronico a scansione (SEM) Imaging
   1. Per SEM Imaging, suggerimenti FEP sicure a un titolare di conduzione mediante lo svolgimento di nastro o da loro avvitamento ad esso (ad esempio, vedere la Figura 4) e l'immagine in un SEM secondo il protocollo del produttore ad ingrandimenti di circa 1,800X e 37,000X per visualizzare il cono di la punta e l'estremità della punta, rispettivamente.


Figura 4. Supporto FEP per l'imaging SEM. Una foto di (a) la parte superiore e (b) il fondo del supporto utilizzato per proteggere FEP mentre l'imaging con il SEM. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura apparecchio di emissione 5. Field. Schematico dell'apparato utilizzato per applicare un HV alle FEP mentre sotto vuoto per produrre un fascio di elettroni. La corrente di fascio di elettroni viene monitorata sulla coppa di Faraday con un picoamperometro. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

4. apparato
   Nota: Per l'emissione di campo verifica la seguente, o simili, è necessario equipaggiamento: una a 6 vie 6 "flangia Conflat croce per servire come una camera a vuoto, tre 6" per 2 ¾ adattatori di lunghezza "Conflat flangia a zero, un SHV (sicuro alta tensione) passante su un 2 ¾ "flangia Conflat, un passante BNC su un ¾ 2" flangia Conflat, un passante lineare su un ¾ 2 "flangia Conflat, un 6" finestra flangia Conflat, una flangia 6 "Conflat vuoto off, un pompa da vuoto turbo montato ad una flangia Conflat 6 ", ed una pompa di supporto (per esempio, una pompa di scorrimento) per il turbo. a alta tensione (HV) alimentatore in grado di erogare fino a -5 kV è necessaria per spingere il FEP, e un picoamperometro è necessaria per controllare la corrente di elettroni emesso dal FEP e raccolta su una tazza Faraday, si veda ad esempio, ^13. al posto di una tazza Faraday, una piastra di raccolta conduttrice semplice può essere utilizzato. a schematic della emissione di campo set-up è mostrato in Figura 5.
   1. Fare un secondo supporto di asta di tungsteno (vedi punto 1.1.1.1). Alla estremità opposta del supporto al FEP praticare un foro di diametro 1 mm e forare e toccare un foro nel lato della barra per una vite 4-40 per fissarlo al lato in depressione del passante SHV.
   2. Allestimento dell'apparato emissione di campo, come mostrato in Figura 5. La coppa Faraday dovrebbe essere di circa 2 cm dalla fine del FEP.
   3. Collegare l'alimentazione ad alta tensione per il passante SHV che il titolare FEP è collegata, e collegare il picoamperometro al passante BNC che la coppa di Faraday è collegata.
   4. Svuotamento il set-up ad una pressione di 10 ^{- 6} mbar o inferiore.
5. emissione di campo
   1. Aumentare gradualmente la polarizzazione sul FEP e monitorare la corrente fascio elettronico sulla tazza Faraday con un picoamperometro. Quando inizia emissione di campo, una corrente viene osservatail picoamperometro.
   2. Aumentare la HV in passi incrementali (di circa 50 V) e registrare la corrente media del fascio di elettroni sullo picoamperometro ad ogni passo. (Questo processo può essere controllato da computer per esempio, da un programma LabVIEW se desiderato, o può essere fatto manualmente). Mantenere l'attuale fascio di elettroni inferiore a 1 μA.
6. Condizionata
   1. Condizionare la punta operando in modalità emissione di campo a 5 nA per 1 ora.
   2. Ripetere l'attuale vs scansione HV di 2.3.2.2.

Results

Studio dei parametri di incisione

Durante il processo di attacco l'alimentazione viene fatto funzionare in modalità a corrente costante. La tensione necessaria per mantenere questa costante corrente aumenta leggermente l'asta di tungsteno viene attaccato distanza (dovuto all'aumento della resistenza dell'asta). La corrente scende quasi a zero quando la punta incide fino in fondo. Una piccola corrente continua ...

Discussion

Abbiamo descritto procedure semplici per incidere elettrochimicamente punti di emissione di campo taglienti (FEP) in una soluzione di NaOH, e per testare le FEP facendoli funzionare in modalità emissione di campo. La procedura descritta incisione è una variazione di tecniche-lamella drop-off tecnica ^7,8 e flottante tecnica strato ^9,10 esistenti. Tuttavia, abbiamo trovato che sia più conveniente e affidabile per attuare dei metodi di cui sopra.

Prima di avviare la proced...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Asta di tungsteno 0.020" x 12"	Metalli ESPI	http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten	3N8 Purezza
50% in peso Soluzione NaOH	Sigma-Aldrich	415413-500ML	500 ml
Imbuto separatore	Cole-Parmer	Articolo#  WU-34506-03	da 250 ml
	BK Precision	1672	Tripla uscita 0 - 32 V, 0 - 3 A Alimentatore CC
Acetone	Cole-Parmer	Articolo#  WU-88000-68	da 500 ml
	National Instruments	NI PXI-6221	16 AI, 24 DIO, 2
AO Relay	Magnecraft	276 XAXH-5D	7 A, 30 V DC Reed Relay
6 vie 6" conflat flange cross	Kurt J Lesker	C6-0600
6" a 2-3/4" conflat zero lunghezza riduttore flange  (x3)	Kurt J Lesker	RF600X275
2-3/4" flangia piatta SHV passante	Kurt J Lesker	IFTSG041033
2-3/4" flangia piatta BNC passante	Kurt J Lesker	IFTBG042033
2-3/4" flangia piatta passante lineare	MDC	660006, REF# BLM-275-2
6" flangia piatta blankoff	Kurt J Lesker	F0600X000N
Finestra con flangia piatta da 6"	Kurt J Lesker	VPZL-600
HV Alimentatore	Keithley	Instruments Keithley Modello #2290-5	0 - 5 kV DC HV
Alimentatore Picoamperometro	Keithley Instruments	Keithley Modello #6485
Faraday Cup	Beam Imaging Solutions	Modello FC-1 Faraday Cup