Electrochemical Gravura e Caracterização de pontas afiadas Field Emission for Electron Impact Ionização

Summary

Um método para gravar eletroquimicamente pontas de emissão de campo é apresentado. Os parâmetros de corrosão são caracterizados e a operação das pontas no modo de emissão de campo é investigada.

Abstract

Uma nova variação do método de queda para fabricar pontos de emissão de campo gravando eletroquimicamente hastes de tungstênio em uma solução de NaOH é descrita. São apresentados os resultados de estudos em que a corrente de condicionamento e a molaridade da solução de NaOH utilizada no processo de condicionamento foram variadas. A investigação da geometria das pontas, por meio de imagens com um microscópio eletrônico de varredura e operando-as no modo de emissão de campo também é descrita. As pontas de emissão de campo produzidas destinam-se a ser usadas como uma fonte de feixe de elétrons para a produção de íons por meio da ionização por impacto de elétrons de gás de fundo ou vapor em aplicações de espectrometria de massa de armadilha de Penning.

Introduction

Pontas agudas ou pontos têm sido muito utilizados em aplicações de microscopia, tais como o ião de microscópio de campo (FIM) e a ^um microscópio de varrimento de túnel (STM) ^2, e uma gama de técnicas para produção de pontas afiadas de vários materiais têm sido desenvolvidos ^3. Estas pontas afiadas pode também ser operado como pontos de emissão de campo (FEP) pela aplicação de uma alta tensão a eles, e servir como uma fonte de feixe de electrões conveniente. Uma aplicação de tais como a fonte é a produção de iões através de ionização por impacto de electrões (EII). O FEP é particularmente vantajoso em aplicações onde as flutuações de temperatura produzidos pela emissores térmicos são indesejáveis. Por exemplo, a produção de iões via EII de gás ou vapor de fundo em alta precisão Penning armadilhas ^4,5.

Um método simples para a fabricação de FEP é para gravar electroquimicamente hastes de tungsténio numa solução de hidróxido de sódio (NaOH). Esta técnica é relativamente simples de implementar comequipamento modesto e tem sido mostrado para ser bastante reprodutível e fiável. Um número de métodos são descritos na literatura e melhoramentos para estas técnicas continuam a aparecer ^6. Descrevemos aqui um método para o ataque corrosivo electroquímico a pontas de tungsténio em uma solução de NaOH. O nosso método é uma variação da técnica de lamela ^7,8 drop-off e o flutuante ^9,10 técnica de camada. Como estes dois métodos que permite a produção de duas pontas de um processo de gravura simples. Uma imagem do equipamento experimental para gravar as pontas é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Aparelho de Gravura. Fotografia do aparato experimental usado para decapagem eletroquímica de hastes de tungsténio com uma solução de NaOH. Por favor cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.

ataque corrosivo electroquímico de tungsténio na base aquosa NaOH ocorre através de um processo em duas fases. Em primeiro lugar, os óxidos de tungsténio intermédios são formados, e em segundo lugar, estes óxidos são não-dissolvido electroquimicamente para formar o anião solúvel tungstato. Este processo está descrito, de forma simplificada, por as duas reacções

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

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

A corrente de decapagem e a molaridade solução de NaOH utilizada afectar o tempo e a voltagem necessária para gravar por meio da haste de tungsténio. Estudos destes efeitos são apresentados e discutidos. Mais importante ainda, os parâmetros de decapagem ter um efeito sobre a geometria das pontas e, como tal, sobre o seu funcionamento no modo de emissão de campo. A geometria do dicas que produzidos foram caracterizados por imagiologia-los com um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Estas imagens podem ser usadas para estimar, por exemplo, o raio da ponta. Além disso, as pontas foram operado em modo de emissão de campo através da aplicação de uma voltagem negativa de tipicamente de algumas centenas de volts para alguns kilovolts a eles e monitorar a corrente de emissão de electrões resultante. A relação entre a corrente de emissão de campo, I, e aplicar tensão de polarização, V, pode ser descrito pela equação de Fowler-Nordheim ¹¹

(3) I = AV ² e ^{-CR / _ef V,}

onde R _eff é o raio efectivo da ponta, A é ​​uma constante, e C representa a segunda constante de Fowler-Nordheim , Em que b = 6.83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> é a função trabalho de tungsténio ( ≈ 4,5 eV), K é um factor que depende da geometria (K ≈ 5), e é o termo Nordheim imagem de correcção ( ≈ 1) ^12. Por isso, o raio efectivo da ponta pode ser determinada medindo a corrente de electrões como uma função da tensão de polarização. Especificamente, ele pode ser obtido a partir do declive de uma trama chamado de Fowler-Nordheim (FN) de LN (I / V ²⁾ vs 1 / V.

Protocol

1. Electrochemical Etching

1. Experimental set-up
   1. Aparelho
      Nota: O eletroquimicamente gravura set-up requer um padrão 0 - 30 V corrente contínua (DC) poder bancada de abastecimento e apropriadas cabos diretos, um funil de separação, uma grande taça de vidro base e haste padrão e braçadeira utilitário com apertos eletricamente isolantes. parafusos pequenos, stand-offs isolados, e pinças de crocodilo, também será necessária. Itens adicionais, descritos abaixo e mostrados na foto do aparelho de gravação na Figura 1, deve ser fabricado.
      1. Faça um titular da vara de tungstênio de uma haste de alumínio diâmetro de aproximadamente 100 mm de comprimento de 6 mm. Perfurar um 0,5 mm de diâmetro aproximadamente 8 mm buraco profundo no centro, e fazer um furo roscado para um parafuso 4-40 no lado para segurar a haste no lugar.
      2. Adicione um contra-eléctrodo de um a cerca de 100 mm x 30 mm x 3 mm de placa de cobre com uma espessura de aproximadamente 75 mm x 20 mmx 1,5 mm reservatório profundo moída para ele, e um buraco de diâmetro 1,5 mm no centro. Encaixe de aproximadamente 15 mm de comprimento isolados distanciadores para a parte de trás do contra-eléctrodo.
      3. Faça um coletor do FEP pela perfuração de um 8 mm de diâmetro buraco profundo 6 mm dentro de um bloco de cobre de aproximadamente 75 x 20 x 20 mm.
   2. Preparação da haste de tungsténio
      1. Use cortadores de arame para cortar os 0,5 mm de diâmetro hastes de tungsténio em aproximadamente 25 mm de comprimento.
      2. Limpar as hastes em acetona num banho de ultra-sons durante 15 min.
      3. Lavar as hastes com água desionizada.
   3. solução de gravação
      Cuidado: solução de NaOH é um alcalóide 704 rótulo solução de NFPA corrosivo: Inflamabilidade (0), Saúde (3), Instabilidade / Reatividade (0), Especial (COR) -e podem causar queimaduras químicas, se ele entra em contato com a pele ou olhos. A inalação de vapores pode causar irritação e queimaduras ao trato respiratório. Ao manusear uma solução de NaOH, wear óculos contra respingos químicos e protetor facial para proteger os olhos, e luvas e um avental para proteger a pele. Execute o procedimento de gravação em um exaustor ou usar um respirador. Cuidados devem ser tomados quando se realizar o passo 1.1.3.1 para produzir a solução NaOH diluída. Este processo é altamente exotérmica e pode libertar calor que pode causar queimaduras ou incendiar materiais inflamáveis, e pode causar a solução para espirrar para fora do recipiente.
      1. Adicione uma solução 1,5 M de NaOH, combinando 30 ml de 50% por peso solução NaOH, com 370 ml de água desionizada para fazer um volume total de 400 ml.
      2. Encher um funil de separação com solução de NaOH.
   4. Circuito de corte
      Nota: Se a fonte de alimentação DC deve ser operado manualmente, então o operador vai virar a fonte de alimentação fora uma vez que a haste de tungsténio gravou todo o caminho (ver 1.2.2). Em caso de operação manual, pule para o passo 1.2. Para cut-off automática da fonte de alimentação DC, o circuito de corte (mostrado na Figura 2 e descrito abaixo), deve ser construída. Aqui, vamos implementar o controle de computador usando um cartão DAQ.
      1. Ligue um amperímetro em série com a fonte de alimentação DC.
      2. Ligue duas resistências, R ₁ e R ₂ em série e em paralelo com o tungstênio rod / contador de perna gravura eléctrodo do circuito. (Os valores nominais para _R1 e _R2 são _R1 = 5 kQ e R ₂ = 10 kQ).
      3. Monitorar a tensão através de uma das resistências com um conversor analógico-para-digital (ADC) e o software de controlo do computador adequado, por exemplo, o LabVIEW. A tensão monitorizada, V _seg, pode estar relacionada com a tensão através de ambas as resistências e, portanto, a tensão através da perna decapagem, V _etch, através
         (4) ,
         Waqui a tensão está a ser monitorizado através de _R1.
      4. Conecte um resistor de baixa resistência, R _L = 1 Ω, em série no circuito de condicionamento. Use um segundo canal na ADC para gravar a tensão sobre este resistor. A corrente de corrosão é então encontrado via i _gravar ≈ V _L / R _L. (Apenas cerca de 1 mA flui jogar a perna do monitor do circuito.)
      5. Em software, criar um programa para emitir um sinal de 5 V TTL da entrada digital / canal de saída (DI / O) quando quer a tensão condicionamento aumenta acima de um conjunto de valor, ou o condicionamento corrente cai abaixo de um valor definido, indicando que a haste de tungsténio tem gravado durante todo o tempo. Estes valores dependem da corrente de corrosão e NaOH solução molaridade a ser utilizado e deve ser determinada com um teste da experiência.
      6. Como mostrado na Figura 2, para providenciar o sinal TTL 5V para ocaneta um relé para parar o fluxo de corrente.

Figura 2. Diagrama esquemático do circuito de condicionamento. Um desenho esquemático do circuito de gravação usada para fornecer a corrente CC constante de gravação. A corrente é determinada através da monitorização da tensão através de um resistor de baixa resistência e a tensão é registada através da monitorização da tensão através de uma resistência de alta resistência utilizando um ADC. Um programa de computador monitora a corrente e fornece um sinal de 5 V de saída para um relé que abre o circuito de gravação uma vez a corrente cai abaixo de um valor especificado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. procedimento de gravura
   1. preparação aparelho
      1. Configure o apparatus, como mostrado na Figura 1, com o bloco de cobre FEP apanhador colocado dentro do copo de vidro grande de base e o cátodo de cobre situada acima dela, espaçadas fora pelo isolamento pés espaçadores.
      2. Ajustar a corrente da fonte de alimentação DC para o valor desejado, tipicamente 200 mA.
      3. Coloque uma haste de tungstênio no suporte e ligue o terminal positivo da fonte de alimentação DC ao parafuso 4-40 exploração com um jacaré.
      4. Inserir a haste de tungsténio através do furo no cátodo de cobre de modo a que cerca de 12 mm de tungsténio a haste passa através do orifício.
      5. Conecte o terminal negativo da fonte de alimentação para o catodo de cobre com outro clipe jacaré.
   2. gravura a água forte
      1. ajustar manualmente a taxa de gotejamento do funil de separação para coincidir com a taxa de gotejamento através do orifício, sobre um gotejamento a cada 3 segundos. Aguarde até que o reservatório na catodo de cobre para se tornar completo.
      2. Ligue a fonte de alimentação DC para bgravura Egin.
      3. Se estiver operando em modo manual, desligue a fonte de alimentação DC uma vez que a parte de baixo da ponta grava todo o caminho e cai. Se estiver operando com um interruptor de desligamento automático, a corrente de corrosão vai ser cortado automaticamente uma vez que a haste grava completamente.

2. Caracterização dos Pontos Field Emission

1. Inspeção de dicas
   1. Remova cuidadosamente a ponta inferior do bloco coletor usando um alicate ou pinça. Retire a ponta superior do titular da vara do tungstênio, soltando o parafuso 4-40 e puxando a ponta superior para fora com o alicate ou pinça.
   2. Lavar com acetona e depois com água desionizada.
   3. Examinar com um microscópio óptico. As pontas devem ser vistos para diminuir para um ponto bem. Aqueles que não o fazem, por exemplo, porque estão dobradas ou que não têm uma estrutura de cone regular, deve ser descartada. A Figura 3 mostra um exemplo de (a) Uma boa dica e (b) uma ponta dobrada.
   4. dicas armazenar num exsicador.

Figura 3. Imagem Óptico de dicas FEP. Imagem de (a) uma boa dica e (b) uma dica ruim, como visto através de um microscópio óptico. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) Imagiologia
   1. Para SEM Imaging, seguras dicas FEP a um suporte condutor utilizando realização fita ou aparafusando-os ao mesmo (por exemplo, ver a Figura 4) e uma imagem em MEV de acordo com o protocolo do fabricante com ampliações de aproximadamente 1,800X e 37,000X para visualizar o cone de e a ponta da extremidade da ponta, respectivamente.


Figura 4. titular FEP para geração de imagens SEM. Uma imagem de (a) a parte superior e (b) a parte inferior do suporte usado para proteger FEPs enquanto a imagem com o SEM. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 5. Aparelho de emissão de campo. Esquemática do aparelho utilizado para aplicar um HV para os FEPs enquanto sob vácuo para produzir um feixe de electrões. A corrente de feixe de elétrons é monitorado no copo Faraday com um picoammeter. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Aparelho
   Nota: Para a emissão de campo testa o seguinte, ou similar, é necessário equipamento: a 6 vias 6 "flange conflat cruz para servir como uma câmara de vácuo, três 6" a 2 ¾ "adaptadores de comprimento conflat flange zero, um SHV (cofre alta tensão) feedthrough em 2 ¾ "flange conflat, uma passagem direta BNC em um ¾ 2" flange conflat, uma passagem direta linear em um ¾ 2 "flange conflat, um 6" janela flange conflat, uma flange 6 "conflat em branco off, um bomba de vácuo turbo montado a uma flange conflat 6 ", e uma bomba auxiliar (por exemplo, uma bomba de deslocamento) para o turbo. uma alta voltagem (HV) fonte de alimentação capaz de fornecer até -5 kV é necessário para pressionar o FEP, e um picoammeter é necessária para controlar a corrente de electrões emitido a partir da FEP e recolhido num hemisfério de Faraday, ver, por exemplo, ^13. em vez de um hemisfério de Faraday, uma placa condutora de recolha simples pode ser usado. um schematic de emissão de campo do set-up é mostrado na Figura 5.
   1. Faça um segundo titular da vara de tungstênio (veja o passo 1.1.1.1). Na extremidade oposta do detentor para o FEP perfurar um orifício 1 mm de diâmetro e perfurar e toque de um furo no lado da haste de um parafuso para 4-40 para fixá-lo para o lado do vácuo do condutor de passagem SHV.
   2. Defina-se o aparelho de emissão de campo, como mostrado na Figura 5. A taça de Faraday deve ser cerca de 2 cm da extremidade do FEP.
   3. Ligue o fornecimento HV à passagem direta SHV que o titular da FEP está conectado, e conecte o picoammeter à passagem direta BNC que o copo Faraday está anexado.
   4. Bombear o set-up a uma pressão de ^10-6 mbar ou abaixo.
5. emissão de campo
   1. Aumentar gradualmente o viés na FEP e monitorar a corrente de feixe de elétrons no copo Faraday com um picoammeter. Quando começa emissão de campo, a corrente irá ser observado nao picoammeter.
   2. Aumentar a HV em passos incrementais (de cerca de 50 V) e registrar a corrente média feixe de elétrons na picoammeter em cada etapa. (Este processo pode ser controlado por computador, por exemplo, por um programa LabVIEW, se desejado, ou pode ser feito manualmente). Mantenha a corrente de feixe de elétrons abaixo de 1 mA.
6. condicionamento
   1. Condicionar a ponta operando no modo de emissão de campo a 5 nA durante 1 h.
   2. Repita o atual vs varredura HV de 2.3.2.2.

Results

Estudo dos parâmetros de gravura

Durante o processo de ataque químico a fonte de alimentação é operado no modo de corrente constante. A voltagem requerida para manter este aumento de corrente constante ligeiramente como a haste de tungsténio é gravado distância (devido ao aumento da resistência da haste). A corrente cai quase a zero quando a ponta grava todo o caminho. Uma pequena corrente continua a fluir dev...

Discussion

Nós descrevemos procedimentos simples para gravar eletroquimicamente pontos de emissão de campo afiados (FEP) em uma solução de NaOH, e para testar os FEPs por operá-los no modo de emissão de campo. O processo de decapagem descrito é uma variação da técnicas existentes-a técnica de drop-off lamela ^7,8 e a flutuação ^9,10 técnica de camada. No entanto, descobrimos que ele seja mais conveniente e confiável para implementar do que os métodos acima mencionados.

Antes de inic...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Haste de Tungstênio 0.020" x 12"	ESPI Metais	http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten	3N8 Pureza
50% em peso Solução de NaOH	Sigma-Aldrich	415413-500ML	500 ml
Funil de separação	Cole-Parmer	Item#  WU-34506-03 Fonte de	de 250 ml
	BK Precision	1672	Saída tripla 0 - 32 V, 0 - 3 A Fonte de alimentação DC
Acetona	Cole-Parmer	Item#  Cartão de Aquisição de Dados WU-88000-68	500 ml
	National Instruments	NI PXI-6221	16 AI, 24 DIO, 2 AO
Relé	Magnecraft	276 XAXH-5D	7 A, 30 V DC Relé
de Reed 6-way 6" conflat flange cross	Kurt J Lesker	C6-0600
6" a 2-3/4" conflat zero length reducer flange  (x3)	Kurt J Lesker	RF600X275
flange conflat 2-3/4" passagem SHV Kurt	J Lesker	IFTSG041033
flange conflat 2-3/4" passagem BNC	Kurt J Lesker	IFTBG042033
flange conflat 2-3/4" passagem linear	MDC	660006, REF# BLM-275-2
6" flange conflat blankoff	Kurt J Lesker	F0600X000N
Janela de flange plana de 6"	Kurt J Lesker	VPZL-600
HV Fonte de alimentação	Keithley Instruments	Keithley Modelo #2290-5	0 - 5 kV DC HV Fonte de alimentação
Picoammeter	Keithley Instruments	Keithley Modelo #6485
Faraday Cup	Beam Imaging Solutions	Modelo FC-1 Faraday Cup