電子衝撃イオン化のためのシャープフィールドエミッションポイントの電気化学エッチングとキャラクタリゼーション

本手順の全体的な目的は、タングステン棒を電気化学的にエッチングして電界放出点（FEP）を作製し、これらのFEPを電界放出モードで動作させることで電子ビームを生成することです。この方法で作製されたFEPは、例えば質量分析などのアプリケーション向けにイオンを生成するための電子衝撃イオン化において、便利な電子源として利用可能です。本手法の主な利点は、信頼性が高く、標準的な設備を用いて比較的簡単に実施できる点にあります。

手順の一部を実演するのは、私の研究室の大学院生であるEranjanとNadeeshaです。まず、直径0.5 millimeterのタングステンロッドを適切な長さに準備します。ワイヤークリッパーを使用して、ロッドを25 milimeterの長さに切断してください。

1本の12インチのロッドから、12本ほどの小型ロッドを作製できます。次に、超音波洗浄を用いて、アセトン中で15分間ロッドを洗浄します。アセトン浴の後、脱イオン水で数秒間ロッドをすすぎます。

次に、あらゆる安全上の注意を払って水酸化ナトリウム溶液を調製します。この工程は非常に激しい発熱反応であり、火傷を負わせたり可燃物を点火させたりする可能性のある熱を放出すること、また溶液が容器から飛散する可能性があることに注意してください。調製後、水酸化ナトリウム溶液を洗浄ボトルに移し、それを用いて分液漏斗に 1.5 molar の水酸化ナトリウム溶液を満たします。

銅製FEPキャッチャーブロックを底の広いガラスビーカー内に配置して装置をセットアップし、絶縁スタンドオフで間隔をあけた状態で、その上に銅カソードを配置します。次に、DC電源の電流を目的の値（通常は200 milliamps）に設定します。その後、タングステンロッドをホルダーにセットし、電源の正極を4-40保持ネジに接続します。

次に、タングステンロッドを銅カソードの穴に挿入します。ロッドを穴から約12 milimeters突き出させてください。その後、電源のマイナス端子を銅カソードに接続します。

次に、分液漏斗からの滴下速度を、穴からの滴下速度に合わせて調整します。約3秒に1滴となるようにしてください。銅カソード内のリザーバーが満たされるまで待ってから、次の工程に進みます。

次に、DC電源を入れてエッチングを開始します。ロッドのエッチングが完了すると、自動遮断回路によって電流が遮断されます。FEPを確認するには、プライヤーまたはピンセットを使用して、キャッチャーブロックから下のFEPを慎重に取り出してください。

4-40ネジを緩め、上のFEPをゆっくりと引き抜いてホルダーから取り出します。次に、エッチング処理したロッドをアセトンで短時間すすぎ、続いて脱イオン水ですすぎます。FEPはデシケーターに保管してください。

まず、顕微鏡下でFEPを選択し、確認します。先端が細く尖っている必要があります。曲がっているものや、構造に不規則性があるFEPは廃棄してください。

電界放出試験の装置構成は、真空チャンバー、電気導入端子、ポンプ、高圧電源、ピコアミータ、およびファラデーカップ（または直線型導入端子上の単純な導電性収集プレート）で構成されます。また、FEPホルダーも必要です。ファラデーカップは、FEPの先端から約2cmの位置に配置してください。

次に、高電圧電源をFEPホルダーに取り付けられたSHVフィードスルーに接続します。続いて、ファラデーカップが取り付けられているBNCフィードスルーにピコアンプメーターを接続します。これで、装置内を10⁻⁴ mbar以下の圧力まで排気します。

圧力を下げた状態で、FEPのバイアスを徐々に上げ、ファラデーカップでの電子ビーム電流をモニターします。電流が検出されれば、電界放出が開始されたことになります。次に、50 Vなどの段階的なステップで高電圧電流を上げてください。

各ステップで、平均電子ビーム電流を記録してください。ここでは電流を1 µA以上に上げないでください。電圧が最大値に達し、電流が数百 nAの状態になったとき、テストは完了です。

最初のFEPテスト後、コンディショニングを行ってチップを洗浄します。この操作は、電界放出モードにて約5 nAで1時間、試験装置を動作させることで行います。その後、電流-電圧スキャンを繰り返します。

タングステン棒がエッチングされて消耗するにつれて、一定のエッチング電流を維持するために必要な電圧はわずかに上昇します。その後、棒が完全にエッチングしきると、電流はほぼゼロまで低下します。棒をエッチングしきるのに要する時間は、電流の強度および溶液のモル濃度に依存します。

エッチング速度は電流とともに線形に増加します。オームの法則から予想される通り、エッチング電圧は電流に正比例し、一定の電流を流すために必要な電圧は、溶液の導電率の向上に伴い、モル濃度が高くなるにつれて減少します。電界放出モードで動作させた場合、FEPからの電子がファラデーカップに衝突し、その電流が記録されます。

コンディショニング工程後、FEPはより低い電圧で発射されました。これは、FEPへのより低いバイアス電位で電子を除去できること、およびFEPの実効半径が減少したことを示しています。このビデオを視聴することで、電気化学的エッチングによるFEPの作製方法、FEPを用いた電子ビームの生成方法、およびFEPの特性評価方法について十分に理解できるはずです。