Elektrochemische Etsen en karakterisering van Sharp Field Emission Punten voor Electron Impact Ionisatie

Summary

Er wordt een methode gepresenteerd voor het elektrochemisch etsen van veldemissiespitten. De etchparameters worden gekarakteriseerd en de werking van de spitsen in veldemissiem ode wordt onderzocht.

Abstract

Een nieuwe variatie van de drop-off methode voor het fabriceren van veld emissie punten door het elektrochemisch ätzen van wolfraam staven in een NaOH-oplossing wordt beschreven. De resultaten van studies waarin de ätzstroom en de molariteit van de NaOH-oplossing die in het ätzproces werd gebruikt, werden gevarieerd, worden gepresenteerd. Het onderzoek naar de geometrie van de punten, door ze te beeldvormen met een rasterelektronenmicroscoop, en door ze te bedienen in veld emissie modus wordt ook beschreven. De geproduceerde veld emissie punten zijn bedoeld om te worden gebruikt als een elektronenbundelbron voor ionenproductie via elektronenimpact ionisering van achtergrondgas of damp in Penning trap massaspectrometrie toepassingen.

Introduction

Scherpe punten of punten zijn lang gebruikt in microscopie toepassingen, zoals het veld ion microscoop (FIM) ¹ en de scanning tunneling microscoop (STM) ^2, en een scala van technieken voor het produceren van scherpe punten van diverse materialen ontwikkeld ^3. Deze scherpe punten kunnen ook worden gebruikt als veld emissiepunten (FEPs) door het toepassen van een hoge spanning aan hen, en dienen als een handige elektronenbundel bron. Een toepassing van als bron ionproductie via elektroneninslag ionisatie (EII). De FEP is bijzonder voordelig in toepassingen waar temperatuurschommelingen door thermische emitters ongewenst. Bijvoorbeeld ion productie via EII van achtergrond gas of damp in hoge precisie Penning traps ^4,5.

Een eenvoudige werkwijze voor het vervaardigen FEPs is elektrochemisch etsen wolfraam staven in een natriumhydroxide (NaOH). Deze techniek is relatief eenvoudig te implementeren metbescheiden apparatuur en is aangetoond dat het heel reproduceerbaar en betrouwbaar te zijn. Een aantal werkwijzen zijn beschreven in de literatuur en verbeteringen van deze technieken blijven verschijnen ^6. Hier beschrijven we een werkwijze voor het elektrochemisch etsen van wolfraam tips in een NaOH oplossing. Onze methode is een variant van de lamellen drop-off techniek ^7,8 en ^9,10 drijflaag techniek. Zoals deze twee methoden het maakt de productie van twee uiteinden van een ets procedure. Een afbeelding van de experimentele inrichting voor het etsen van de uiteinden wordt weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. Etsen apparaat. Foto van de experimentele apparatuur gebruikt voor elektrochemisch etsen van wolfraam staven met NaOH-oplossing. Klikhier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Elektrochemisch etsen van wolfraam in de waterige NaOH base gebeurt via een tweestapsproces. Eerst worden tussenproduct wolframoxiden gevormd, en anderzijds deze oxiden niet-elektrochemisch opgelost om de oplosbare wolframaat anion. Deze procedure wordt in vereenvoudigde vorm door de twee reacties

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

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

De etsen stroom en de NaOH-oplossing molariteit gebruikt van invloed op de tijd en de spanning die nodig is om te etsen door de wolframstaaf. Studies van deze effecten worden gepresenteerd en besproken. Belangrijker is dat de ets parameters hebben invloed op de geometrie van de uiteinden en als zodanig zijn werking in veldemissie modus. De geometrie van de tips we geproduceerd werden gekenmerkt door hun beeldvorming met een scanning elektronenmicroscoop (SEM). Deze beelden kunnen schatten, bijvoorbeeld de tandpuntreikwijdte. Bovendien zijn de tips in veldemissie modus bediend door een negatieve spanning van typisch een paar honderd volt tot enkele kilovolts hen en controleren van de verkregen elektronenemissie stroom. De relatie tussen veldemissie stroom I en toegepaste voorspanning V kan worden beschreven door het Fowler-Nordheim formule ¹¹

(3) I = AV ^{2 e-CR _eff / V,}

waarbij r _eff de effectieve straal van de punt, A een constante is en C de tweede Fowler-Nordheim constante Waarin b = 6,83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> is het werk functie van wolfraam ( ≈ 4,5 eV), k een factor die afhankelijk is van de geometrie (k ≈ 5), en is het Nordheim beeldcorrectie termijn ( ≈ 1) ^12. Derhalve kan de effectieve straal van de punt worden bepaald door de elektronenstroom als functie van voorspanning. Specifiek, kan worden verkregen uit de helling van een zogenaamde Fowler-Nordheim (FN) grafiek van ln (I / V ²⁾ versus 1 / V.

Protocol

1. Elektrochemische Etsen

1. Experimentele opstelling
   1. Inrichting
      Opmerking: Het elektrochemisch etsen opstelling vereist een overeenkomstige 0-30 V gelijkstroom (DC) benchtop voeding en juiste kabels, een scheitrechter, een brede basis bekerglas en standaard staaf en nut klem met elektrisch isolerende grepen. Kleine schroeven, geïsoleerde stand-offs, en alligator clips zal ook nodig zijn. Aanvullende punten hieronder beschreven en getoond in het beeld van de etsinrichting in figuur 1, worden vervaardigd.
      1. Maak een wolframstaaf houder van een ongeveer 100 mm lange diameter van 6 mm aluminium staaf. Boor een 0,5 mm diameter van ongeveer 8 mm diep gat in het midden, en een getapt gat voor een schroef 4-40 in de zijkant van de stang op zijn plaats te houden.
      2. Maak een contra-elektrode van een ongeveer 100 mm x 30 mm x 3 mm dikke koperen plaat met een ongeveer 75 mm x 20 mmx 1,5 mm diep reservoir gefreesd, en een gatdiameter 1,5 mm in het midden. Attach ongeveer 15 mm lang geïsoleerde duwstiften aan de achterzijde van de tegenelektrode.
      3. Maak een FEP catcher door het boren van een diameter van 6 mm 8 mm diep gat in een ongeveer 75 x 20 x 20 mm koperen blok.
   2. Bereiding van wolframstaaf
      1. Gebruik draad klippers om de 0,5 mm diameter tungsten staafjes gesneden in ongeveer 25 mm lengte.
      2. Reinig de staven in aceton in een ultrasoon bad gedurende 15 min.
      3. Spoel de staven met gedemineraliseerd water.
   3. etsoplossing
      Let op: NaOH-oplossing is een bijtende alkali-oplossing-NFPA 704 label: Ontvlambaarheid (0), Health (3), Instabiliteit / reactiviteit (0), Speciale (COR) -en kunnen chemische brandwonden veroorzaken als het in contact komt met de huid of ogen. Het inademen van dampen kan irritatie en brandwonden veroorzaken aan de luchtwegen. Bij het hanteren van NaOH-oplossing, wear spatbeschermingsbrillen en het gezicht schild om de ogen te beschermen, en handschoenen en een schort om de huid te beschermen. Voer de ets procedure in een zuurkast of draag een gasmasker. Voorzichtigheid is geboden bij het uitvoeren van stap 1.1.3.1 om de verdunde NaOH-oplossing te produceren. Dit proces is sterk exotherm en kan warmte die brandwonden kan veroorzaken of ontbranden brandbare stoffen, en kan leiden tot de oplossing voor splash uit de container vrij te geven.
      1. Voeg een 1,5 M NaOH-oplossing door het combineren van 30 ml 50 gewichts% NaOH-oplossing met 370 ml gedeïoniseerd water om 400 ml totaalvolume maken.
      2. Vul een scheitrechter met NaOH-oplossing.
   4. Cut-off circuit
      Opmerking: Als de DC voeding moet handmatig worden bediend, dan zal de operator de stroomtoevoer uit te schakelen zodra de wolframstaaf helemaal is geëtst door middel van (zie 1.2.2). In het geval van handmatige bediening, verder met stap 1.2. Voor automatische cut-off van de DC-voeding, de cut-off circuit (weergegeven in Figuur 2 en hieronder beschreven), worden geconstrueerd. Hier, implementeren we de computer controle met behulp van een DAQ-kaart.
      1. Sluit een ampèremeter in serie met de DC-voeding.
      2. Verbinden twee weerstanden _R1 en _R2 in serie en parallel loopt aan de wolframstaaf / tegenelektrode etsen tak van de keten. (Nominale waarden voor R ₁ en _R2 R ₁ = 5 kQ en R ₂ = 10 kQ.)
      3. Controleer de spanning over één van de weerstanden met een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) met geschikte computer besturingssoftware, bijvoorbeeld LabVIEW. De bewaakte spanning, V _maandag, kan worden gerelateerd aan de spanning over beide weerstanden en dus de spanning over de ets been V _etsen, via
         (4) ,
         whier de spanning wordt bewaakt in R _1.
      4. Sluit een lage weerstand weerstand, R _L = 1 Ω, in serie in de ets circuit. Moet een tweede kanaal op de ADC de spanning over deze weerstand opnemen. De etsen stroom wordt vervolgens gevonden via i _etsen ≈ V _L / R _L. (Slechts ongeveer 1 mA stroomt gooi de monitor been van het circuit.)
      5. In software, het creëren van een programma om de productie van een 5 V TTL signaal vanuit de digitale input / output kanaal (DI / O) wanneer ofwel de ets spanning stijgt boven een bepaalde waarde, of de ets huidige daalt onder een ingestelde waarde, dat de display- wolframstaaf heeft geëtst helemaal door. Deze waarden zijn afhankelijk van de ets huidige en NaOH oplossing molariteit wordt gebruikt en moet worden bepaald met een test van het experiment.
      6. Zoals getoond in figuur 2, zorgt ervoor dat de 5 V TTL signaal open een relais om de stroom te stoppen.

Figuur 2. Schematische voorstelling van etsen circuit. Een schematische tekening van de schakeling etsen gebruikt om de constante DC etsen stroom te leveren. De stroom wordt bepaald door het bewaken van de spanning over een weerstand lage weerstand en de spanning wordt geregistreerd door het bewaken van de spanning over een hoge weerstand met een weerstand ADC. Een computerprogramma controleert de stroom en zorgt voor een 5 V uitgangssignaal naar een relais dat de etsen circuit zodra de huidige daalt onder een bepaalde waarde wordt geopend. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. etsprocedure
   1. apparaat voorbereiding
      1. Stel de apparAtus zoals getoond in figuur 1, met het koper FEP catcher blok geplaatst in de brede basis bekerglas en koperkathode daarboven gelegen, op afstand uit door de isolerende duwstiften.
      2. Stel de stroom op de DC voeding van de gewenste waarde, typisch 200 mA.
      3. Plaats een wolframstaaf in de houder en sluit de positieve pool van de DC-voeding aan de 4-40 Holding schroef met een alligator clip.
      4. Plaats de wolfraamstaaf door het gat in de koperkathode zodat ongeveer 12 mm van de wolfraamstaaf door het gat.
      5. Sluit de negatieve pool van de stroomtoevoer naar de koperen kathode met een andere alligator clip.
   2. ets
      1. Handmatig aanpassen van het infuus tarief van de scheitrechter om het infuus tarief overeenkomen door het gat, ongeveer 1 druppel om de 3 sec. Wacht tot het reservoir in de koperen kathode vol.
      2. Schakel de DC-voeding naar bEgin etsen.
      3. Als die actief zijn in de handmatige modus, schakelt u de DC voeding zodra het onderste deel van de tip etsen helemaal door en druppels uit. Als werken met een automatische shut-off-schakelaar, zal het etsen stroom worden afgesneden automatisch zodra de stang etst door.

2. Analyse van Field Emission Points

1. Inspectie van tips
   1. Haal de onderste tip van de catcher blok met een tang of een pincet. Verwijder de bovenste tip van de wolframstaaf houder door het losdraaien van de 4-40 schroef en zachtjes te trekken de bovenste tip met de tang of pincet.
   2. Afspoelen met aceton en daarna met gedemineraliseerd water.
   3. Onderzoek met een optische microscoop. Tips moet worden gezien om taps naar een fijne punt. Die dat niet doen, bijvoorbeeld omdat ze gebogen of niet een regelmatige kegelstructuur, moet worden weggegooid. Figuur 3 toont een voorbeeld van (a) Een goede tip en (b) een gebogen tip.
   4. Store tips in een exsiccator.

Figuur 3. Optische beeld van FEP tips. Beeld van (a) een goede tip en (b) een slechte tip, zoals gezien door middel van een optische microscoop. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Scanning Electron Microscope (SEM) Imaging
   1. SEM beeldvorming, beveiligde FEP tips een geleidende houder via geleidende tape of door ze te schroeven (zie bijvoorbeeld figuur 4) en beeld in een SEM volgens het protocol van de fabrikant met een vergrotingsfactor van ongeveer 1,800X en 37,000X de cone of bekijken het uiteinde en het uiteinde van de punt respectievelijk.


Figuur 4. FEP houder voor SEM beeldvorming. Een foto van (a) de boven- en (b) de bodem van de houder wordt gebruikt om FEPs beveiligen, terwijl beeldvorming met de SEM. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


Figuur 5. Veldemissie inrichting. Schema van de inrichting gebruikt om een HV toepassing op FEPs terwijl onder vacuüm elektronenbundels produceren. De elektronenbundel stroom wordt gecontroleerd op de Faraday kop met een picoammeter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Field Emission Tests
   1. Inrichting
      Opmerking: Voor de veldemissie test de volgende, of iets dergelijks, apparatuur nodig: een 6-weg 6 "conflat flens kruis om te dienen als een vacuümkamer, drie 6" tot 2 ¾ "conflat flens nullengte adapters, een SHV (safe hoogspanning) doorvoer op een 2 ¾ "conflat flens, een BNC doorvoer op een 2 ¾" conflat flens, een lineaire doorvoer op een 2 ¾ "conflat flens, een 6" conflat flens raam, een 6 "conflat flens leeg uit, een turbovacuümpomp bevestigd aan een 6 "conflat flens en een voorvacuümpomp (bijvoorbeeld een scrollpomp) voor de turbo. een hoog voltage (HV) voeding kan leveren tot -5 kV moet de voorspanning FEP en een picoammeter moet de elektronenstroom die uit de FEP en verzameld op een Faraday cup volgen, zie bijvoorbeeld ^13. In plaats van een Faraday cup, kan een eenvoudige geleidende verzamelplaat worden gebruikt. een schematic van de veldemissie opstelling wordt getoond in figuur 5.
      1. Maak een tweede wolframstaaf houder (zie stap 1.1.1.1). In het andere uiteinde van de houder om de FEP boor een gat diameter 1 mm en boor en tik op een gat in de zijkant van de stang een 4-40 schroef te bevestigen aan de zuigzijde van de SHV doorvoerinrichting.
      2. Set-up van de veldemissie-inrichting zoals weergegeven in figuur 5. De Faraday cup moet ongeveer 2 cm vanaf het einde van het FEP.
      3. Sluit de HV levering aan de SHV doorvoer dat de FEP houder is bevestigd, en sluit de picoammeter op de BNC doorvoer dat de Faraday cup is gekoppeld.
      4. Pump down de set-up tot een druk van ^10-6 mbar of lager.
   2. veldemissie
      1. Geleidelijk verhogen van de voorspanning op de FEP en toezicht op de elektronenbundel stroom op de Faraday kop met een picoammeter. Als veldemissie begint, zal een stroom worden waargenomen opde picoammeter.
      2. Verhoging van de HV in stapjes (van ongeveer 50 V) en noteer de gemiddelde elektronenbundel stroom op de picoammeter bij elke stap. (Dit proces kan computergestuurde bijvoorbeeld zijn, door een LabVIEW programma indien gewenst, of kan handmatig worden gedaan). Houd de elektronenbundel huidige hieronder 1 uA.
   3. conditioning
      1. Breng de tip door te werken in het veld emissie-modus op 5 nA gedurende 1 uur.
      2. Herhaal de huidige vs HV scan van 2.3.2.2.

Results

Studie van etsen parameters

Tijdens het etsproces de voeding wordt gebruikt in een constante stroom modus. De spanning vereist om deze constante stroom neemt iets handhaven de wolframstaaf weggeëtst (als gevolg van de toename van de weerstand van de staaf). De huidige daalt bijna tot nul wanneer de tip etsen helemaal door. Een kleine stroom verbruikt, omdat het bovenste uiteinde blijft in contact met de etsopl...

Discussion

We hebben eenvoudige procedures beschreven elektrochemisch etsen scherpe veld emissiepunten (FEPs) in een NaOH-oplossing, en de FEPs testen door te werken in veldemissie modus. De etsprocedure beschreven is een variatie van de huidige technologieën-de lamel drop-off techniek ^7,8 en de drijflaag ^9,10 techniek. Echter, we vonden het handiger en betrouwbaar te implementeren dan de eerder genoemde methoden te zijn.

Alvorens de etsprocedure de waarschijnlijkheid produceren t...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tungsten Rod 0.020" x 12"	ESPI Metals	http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten	3N8 Zuiverheid
50% NaOH-oplossing naar gewicht	Sigma-Aldrich	415413-500ML	500 ml
Afscheidingsnelheid	Cole-Parmer	Item# WU-34506-03	250 ml
DC-voeding	BK Precision	1672	Drievoudige uitgang 0 - 32 V, 0 - 3 A DC-voeding
Aceton	Cole-Parmer	Item# WU-88000-68	500 ml
Gegevensverzamelingskaart	National Instruments	NI PXI-6221	16 AI, 24 DIO, 2 AO
Relais	Magnecraft	276 XAXH-5D	7 A, 30 V DC Reed Relay
6-weg 6" conflat flens kruising	Kurt J Lesker	C6-0600
6" naar 2-3/4" conflat lengte nul reducer flens  (x3)	Kurt J Lesker	RF600X275
2-3/4" conflat flens SHV doorvoer	Kurt J Lesker	IFTSG041033
2-3/4" conflat flens BNC doorvoer	Kurt J Lesker	IFTBG042033
2-3/4" conflat flens lineaire doorvoer	MDC	660006, REF# BLM-275-2
6" conflat flens blinddop	Kurt J Lesker	F0600X000N
6" conflat flens venster	Kurt J Lesker	VPZL-600
HV-voeding	Keithley Instruments	Keithley Model #2290-5	0 - 5 kV DC HV-voeding
Picoammeter	Keithley Instruments	Keithley Model #6485
Faraday Cup	Beam Imaging Solutions	Model FC-1 Faraday Cup