Method Article

Электрохимическое травление и характеристика точек Sharp поля излучения для ионизацией электронным ударом

DOI:

10.3791/54030

⸱

July 12th, 2016

 ,  ,  , 
1Department of Physics, Central Michigan University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Представлен метод электрохимического травления полевых эмиссионных наконечников. Охарактеризованы параметры травления и исследована работа наконечников в режиме полевого излучения.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Описан новый вариант метода отбрасывания для изготовления точек полевого излучения путем электрохимического травления вольфрамовых стержней в растворе NaOH. Представлены результаты исследований, в которых варьировались ток травления и молярность раствора NaOH, используемого в процессе травления. Также описывается исследование геометрии наконечников путем их визуализации с помощью сканирующего электронного микроскопа и работы с ними в режиме полевой эмиссии. Производимые полевые эмиссионные наконечники предназначены для использования в качестве источника электронного пучка для получения ионов путем ионизации фонового газа или пара электронным ударом в масс-спектрометрии с ловушкой Пеннинга.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sharp советы или точек уже давно используются в микроскопии приложений, таких как автоионном микроскопа (FIM) 1 и сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) 2, а также ряд методов для получения острых наконечников различных материалов были разработаны 3. Эти острые кончики могут также работать в качестве точек выбросов поля (FEPs) путем приложения высокого напряжения к ним, а также служить в качестве удобного источника электронного пучка. Одно из применений, таких как источника ионов производство с помощью электронно-ударной ионизации (EII). ФЭП является особенно предпочтительным в тех случаях, когда колебания температуры произведенная тепловыми излучателями нежелательны. Например, образование ионов через ЭИИ фонового газа или пара в высокой точности ловушек Пеннинга 4,5.

Простой способ изготовления FEPs является электрохимически протравить вольфрамовые стержни, в растворе гидроксида натрия (NaOH). Этот метод является относительно просто реализовать с помощьюскромное оборудование, и было показано, весьма воспроизводимым и надежным. Ряд методов описаны в литературе и усовершенствования этих методов продолжают появляться 6. Здесь мы опишем метод электрохимического травления вольфрама наконечниками в растворе NaOH. Наш метод является разновидностью ламельной высадки техники 7,8 и плавающий метод слой 9,10. Как эти два метода он позволяет производить двух советов от одной процедуры травления. Изображение экспериментальной установки для травления советы показано на рисунке 1.

figure-introduction-1
Рисунок 1. Травление аппарат. Фотография экспериментальной установки , используемой для электрохимического травления вольфрама стержней с раствором NaOH. Пожалуйста , нажмитездесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Электрохимическое травление вольфрама в водном растворе основания NaOH происходит через двухстадийный процесс. Во-первых, образуются промежуточные оксиды вольфрама, а во-вторых, эти оксиды не являются электрохимически растворяется с образованием растворимого вольфрамата анион. Этот процесс описан, в упрощенном виде, с помощью двух реакций

(1) W + 6OH - → В WO 3 (S) + 3H 2 O + 6е - и

(2) WO 3 (S) + 2OH - → WO 4 2- + H 2 O.

Тока травления и молярность раствора NaOH используется влияет на время и напряжение, необходимое для травления через вольфрамового стержня. Изучение этих эффектов представлены и обсуждены. Что еще более важно, параметры травления оказывают влияние на геометрию советов и, как таковой, на их работы в режиме полевой эмиссии. Геометрия советы мы произвели характеризовались визуализации их с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Эти изображения могут быть использованы для оценки, например, радиус кончика инструмента. Кроме того, наконечники работали в режиме полевой эмиссии путем подачи отрицательного напряжения, как правило, в несколько сотен вольт до нескольких киловольт к ним и контроль результирующего тока электронной эмиссии. Зависимость между эмиссионного тока, I, и прикладные напряжения смещения, V, может быть описана уравнением Фаулера-Нордгейма 11

(3) I = AV 2 е -Cr эфф / V,

где г эфф эффективный радиус наконечника, А является константой, а C является вторая константа Фаулера-Нордгейм figure-introduction-2 , В которых Ь = 6,83 эВ - 3/2 В / нм,030eq11.jpg "/> является функция работы вольфрама ( figure-introduction-3 ≈ 4,5 эВ), к является фактором , который зависит от геометрии (к ≈ 5), и figure-introduction-4 это термин коррекции изображения Нордгейм ( figure-introduction-5 ≈ 1) 12. Следовательно, эффективный радиус наконечника может быть определена путем измерения электронного тока в зависимости от напряжения смещения. В частности, он может быть получен из наклона так называемый Фаулера-Нордхейма (FN) участке Ln (I / V 2) против 1 / V.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Электрохимическое травление

  1. Экспериментальная установка
    1. устройство
      Примечание: электрохимическим травлением настройки требуется стандартный 0 - 30 В постоянного тока (DC) Benchtop питания и соответствующие кабели, делительную воронку, широким основанием стеклянный стакан, и стандартный стержень и утилита зажим с электрически изолирующими ручками. Потребуется также небольшие винты, изолированные противостояний и Крокодил. Дополнительные элементы, описанные ниже и показано на рисунке устройства травления на рисунке 1, должны быть изготовлены.
      1. Сделать держатель вольфрамового стержня из приблизительно длиной 100 мм 6 мм алюминиевый диаметр стержня. Сверло диаметром 0,5 мм примерно 8 мм глубиной отверстие в центре, и сделать резьбовое отверстие для винта 4-40 в сторону, чтобы удерживать штангу на месте.
      2. Сделайте встречный электрод из приблизительно 100 мм х 30 мм х 3 мм толщиной медной пластины с приблизительно 75 х 20 ммх 1,5 мм глубиной пласта размалывают в него, и отверстие диаметром 1,5 мм в центре. Приложить приблизительно 15 мм длиной изолированные противостояний на задней стороне противоположного электрода.
      3. Сделать зрелище FEP путем бурения 6 мм диаметром 8 мм отверстие глубиной в медный блок, примерно 75 х 20 х 20 мм.
    2. Получение вольфрамового стержня
      1. Используйте провод машинки для стрижки, чтобы отрезать 0,5 мм вольфрама диаметром стержней в примерно 25 мм длины.
      2. Очистить стержни в ацетоне в ультразвуковой ванне в течение 15 мин.
      3. Промыть стержни с деионизированной водой.
    3. травильный раствор
      Внимание: NaOH раствор представляет собой коррозионные раствор щелочи-NFPA 704 этикетке: горючести (0), здоровье (3), Нестабильность / Реакционная (0), Special (COR) -и может вызвать химические ожоги, если он вступает в контакт с кожей или глаза. Вдыхание паров может вызвать раздражение и ожоги дыхательных путей. При обработке раствора NaOH, WEAг очки химических брызг и лицевые щитки для защиты глаз, а также перчатки и фартук для защиты кожи. Выполните процедуру травления в вытяжном шкафу или носить респираторы. Следует соблюдать осторожность при выполнении шага 1.1.3.1 для получения разбавленного раствора NaOH. Этот процесс является сильно экзотермической и может выделять тепло, что может привести к ожогам или воспламенить легковоспламеняющиеся, и может привести решение брызнуть из контейнера.
      1. Сделать 1,5 М раствора NaOH, комбинируя 30 мл 50% -ного по весу раствора NaOH в 370 мл деионизированной воды, чтобы сделать 400 мл общего объема.
      2. Заполните делительную воронку с раствором NaOH.
    4. Пороговые цепи
      Примечание: Если источник питания переменного тока должна управляться вручную, то оператор включит питание преобразователя после того, как вольфрам лоза травлению весь путь до конца (см 1.2.2). В случае ручного управления, перейдите к шагу 1.2. Для автоматического отсечке источника питания постоянного тока, схема отключения (показано на <сильный> Рисунок 2 и описан ниже), должен быть построен. Здесь мы реализуем компьютерное управление с помощью DAQ карты.
      1. Подключите амперметр последовательно с источником питания постоянного тока.
      2. Соединение двух резисторов R 1 и R 2 последовательно и параллельно с вольфрамового стержня / противоположному электроду травления ножке цепи. (Номинальные значения для R 1 и R 2 являются R 1 = 5 кОм и R 2 = 10 кОм.)
      3. Монитор напряжения на одном из резисторов с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и соответствующим программным обеспечением управления компьютером, например, LabVIEW. Отслеживаемое напряжение, V ПН, может быть связано с напряжением на обоих резисторов и , следовательно, напряжение на травильного ноге, V травлению, с помощью
        (4) figure-protocol-1 ,
        весздесь напряжение контролируется через R 1.
      4. Подключите низкий резистор сопротивления, R L = 1 Ом, последовательно в цепи травления. С помощью второго канала на АЦП, чтобы записать напряжение на этом резисторе. В настоящее время травления затем найден через я травить ≈ V L / R L. (Только около 1 мА течет бросить монитор ногу цепи.)
      5. В программном обеспечении, создать программу для вывода 5 В TTL сигнал от цифрового ввода / вывода канала (DI / O), когда либо увеличивается травление напряжения выше заданного стоимости, или травления капель тока ниже заданного значения, указывающее, что вольфрама штанга травлению весь путь до конца. Эти значения зависят от тока травления и раствора молярность NaOH используется и должен быть определен с тестового прогона эксперимента.
      6. Как показано на рисунке 2, устройте для сигнала 5 V TTL -оперо реле, чтобы остановить электрический ток.

figure-protocol-2
Рисунок 2. Схема травления контура. Схематическое изображение схемы травления используется для обеспечения постоянного тока травления постоянного тока. Ток определяется путем контроля напряжения на низком резистор сопротивлением и напряжение регистрируется путем контроля напряжения через резистор высокого сопротивления с использованием АЦП. Компьютерная программа контролирует ток и обеспечивает 5 V выходного сигнала на реле , которое размыкает цепь травления , как только ток падает ниже заданного значения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Гравюры процедура
    1. подготовка Аппарат
      1. Настройка АппарАТУС , как показано на рисунке 1, с медным FEP ловца блок размещен внутри широкой базы стеклянный стакан и медного катода , расположенного над ним, на расстоянии от изолирующей противостояний.
      2. Установите значение тока на источнике питания постоянного тока до требуемого значения, обычно 200 мА.
      3. Поместите вольфрамовый стержень в держателе и подключите положительный полюс источника питания постоянного тока на 4-40 крепежный винт с аллигатора зажимом.
      4. Вставьте вольфрамового стержня через отверстие в катодной меди таким образом, что примерно 12 мм из вольфрамового стержня проходит через отверстие.
      5. Подключите отрицательный вывод источника питания к катодной меди с другим аллигатора зажимом.
    2. травление
      1. Ручная регулировка скорости капельного в делительную воронку, чтобы соответствовать скорости капельно через отверстие, около 1 капельно каждые 3 сек. Подождите, пока резервуар в катодной меди, чтобы стать полным.
      2. Включите источник питания постоянного тока бEgin травления.
      3. При работе в ручном режиме, отключите источник питания постоянного тока, как только нижняя часть наконечника травит весь путь до конца и падает. При работе с автоматическим выключателем запорным, ток травления будет отсечка автоматически, как только стержень травит через.

2. Характеристика точек поля излучения

  1. Осмотр наконечников
    1. Осторожно снимите нижний кончик из блока ловца с помощью плоскогубцев или пинцета. Снимите верхний наконечник из держателя стержня вольфрама, ослабив 4-40 винт и осторожно потянув за верхний кончик с плоскогубцами или пинцетом.
    2. Промывают ацетоном, а затем деионизированной водой.
    3. Изучение с помощью оптического микроскопа. Советы следует рассматривать сужаться к кончику. Те , которые не делают, например, потому что они согнуты или не имеют регулярную структуру конуса, должны быть отброшены. На рисунке 3 показан пример (а) Хороший совет и (б) изогнутый кончик.
    4. Хранить советы в эксикаторе.

figure-protocol-3
Рисунок 3. Оптическое изображение советов FEP. Изображение (а) хороший совет и (б) плохой отзыв, если смотреть через оптический микроскоп. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Сканирующий электронный микроскоп (SEM) , обработки изображений
    1. Для SEM Imaging, безопасные подсказки FEP к держателю с помощью проводящей ленты или проведения, прикрутив их к нему (например, смотри рисунок 4) и изображение в SEM в соответствии с протоколом производителя на увеличениях приблизительно 1,800X и 37,000X для просмотра конус кончик и конец наконечника, соответственно.

    2. figure-protocol-4
    Рисунок 4. Держатель FEP для визуализации SEM. Изображение (а) в верхней и (б) в нижней части держателя , используемого для обеспечения FEPs во время формирования изображения с SEM. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    figure-protocol-5
    Рисунок 5. Полевой прибор эмиссии. Схема устройства , используемого для нанесения HV к FEPs в то время как в вакууме для получения электронного пучка. Ток пучка электронов контролируется на Фарадея с picoammeter. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    2. устройство
      Примечание: Для выбросов полевых испытаний следующее, или подобное, требуется оборудование: 6-6 "крест conflat фланец, чтобы служить в качестве вакуумной камеры, три 6" до 2 ¾ "conflat фланец нулевых адаптеров длиной, An SHV (безопасное высокое напряжение) проходных на 2 ¾ "conflat фланцем, A BNC проходных на 2 ¾" conflat фланцем, линейный проходных на 2 ¾ "conflat фланец, 6" окно conflat фланец, 6 "conflat фланец заготовки выключено, турбо вакуумный насос , установленный на "conflat фланца 6 и форвакуумный насос (например, насос прокрутки) для турбо. высокое напряжение (HV) источник питания способен выдавать до -5 кВ требуется для смещения FEP, и picoammeter требуется контролировать ток электронов , испускаемый из FEP и собирали на Фарадея, смотри , например, 13. вместо чашки Фарадея, простая коллекция проводящая пластина может быть использована. A schematiс автоэлектронной эмиссии набора параметров показано на рисунке 5.
      1. Сделать второй держатель вольфрамового стержня (см шаг 1.1.1.1). В противоположном конце держателя к FEP просверлить отверстие диаметром 1 мм и просверлить и нажмите отверстие в боковой части стержня для 4-40 винта, чтобы закрепить его к вакуумному стороне проходным отверстием SHV.
      2. Настройка устройства с полевой эмиссией , как показано на рисунке 5. Чаша Фарадея должна быть около 2 см от конца FEP.
      3. Подключение питания HV к проходным отверстием SHV, что держатель FEP прикреплен к, и подключить picoammeter к проходным отверстием BNC, что чашка Фарадей присоединен.
      4. Откачка набор параметров , вплоть до давления 10 - 6 мбар или ниже.
    3. полевая эмиссия
      1. Постепенно увеличивать уклон на FEP и контролировать ток пучка электронов на Фарадея с picoammeter. Когда начинается полевая эмиссия, ток будет наблюдаться наpicoammeter.
      2. Увеличение высокого напряжения в дополнительных шагов (около 50 В) и записывают средний ток пучка электронов на picoammeter на каждом шаге. (Этот процесс может быть компьютерным управлением , например, с помощью программы LabVIEW , если это желательно, или может быть сделано вручную). Держите ток пучка электронов ниже 1 мкА.
    4. кондиционирование
      1. Condition наконечник при работе в режиме с автоэлектронной эмиссией на 5 нА в течение 1 часа.
      2. Повторите ток высокого напряжения против сканирования 2.3.2.2.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Исследование параметров травления

Во время процесса травления источник питания работает в режиме постоянного тока. Напряжение необходимо слегка поддерживать этот постоянный ток растет вольфрамового стержня вытравливают (из-за увеличения сопротивления стержня). Ток падает почти до нуля, когда кончик травит весь путь до конца. Небольшой ток продолжает течь в связи с тем, что верхний кончик все еще находится в ко...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы описали простые процедуры электрохимически протравить острые точки излучения поля (FEPs) в растворе NaOH, и испытать FEPs при работе их в режиме полевой эмиссии. Процедура травления описывается является разновидностью существующих методов ламельной-высадки техники и 7,8 плавучей техники слой 9,10. Тем не менее, мы нашли его более удобным и надежным в реализации, чем указанных выше способов.

Перед началом процедуры травления, чтобы свести к минимуму вероятность получе...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы выражаем признательность за услуги Стэнли Флеглера, Кэрол Флеглер и Эбигейл Тиррелл в Центре передовой микроскопии МГУ. Мы благодарим Рэя Кларка и Марка Уилсона за техническую помощь в настройке аппарата электрохимического травления. Также выражается признательность за более ранний вклад Энн Бенджамин, Георга Боллена, Рафаэля Феррера, Дэвида Линкольна, Стефана Шварца и Адриана Вальверде, а также за техническую помощь Джона Юркона. Эта работа была частично поддержана контрактом Национального научного фонда No. PHY-1102511 и PHY-1307233, Университет штата Мичиган и Центр пучков редких изотопов, а также Центральный университет Мичигана.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Вольфрамовый стержень 0,020" x 12"ESPI Metalshttp://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten  3N8 Чистота
50% по весу раствор NaOHSigma-Aldrich415413-500ML500 мл
Разделительная воронкаCole-ParmerItem#  WU-34506-03250 мл
Источник питания постоянного токаBK Precision1672Тройной выход 0 - 32 В, 0 - 3 А Источник питания постоянного тока
АцетонCole-ParmerItem#  WU-88000-68500 мл
Карта сбора данныхNational InstrumentsNI PXI-622116 AI, 24 DIO, 2 AO
RelayMagnecraft276 XAXH-5D7 A, 30 В DC Геркон Реле
6-полосный 6" плоский фланец крестKurt J LeskerC6-0600
6" до 2-3/4" плоский фланец нулевой длины  (х3)Kurt J LeskerRF600X275
плоский фланец 2-3/4" плоский фланец SHV проходнойIFTSG041033
2-3/4" плоский фланец BNC проходной IFTBG042033
2-3/4" плоский фланец линейный проходнойMDC660006, REF# BLM-275-2
6" плоский фланец бланкKurt J LeskerF0600X000N
6-дюймовое плоское фланцевое окноKurt J LeskerVPZL-600
HV Источник питанияKeithley InstrumentsKeithley Модель #2290-50 - 5 кВ постоянного тока Высоковольтный источник питания
ПикамперметрKeithley InstrumentsKeithley Модель #6485
Кубок ФарадеяРешения для визуализации лучаМодель FC-1 Кубок
Фарадея

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Muller, E. W., Bahadur, K. Field Ionization of Gases at a Metal Surface and the Resolution of the Field Ion Microscope. Phys. Rev. 102, 624(1956).
  2. Binnig, G., Rohrer, H. Scanning Tunneling Microscopy. Helv. Phys. Acta. 55, 726-735 (1982).
  3. Melmed, A. J. The art and science and other aspects of making sharp tips. J. Vac. Sci. Technol. B. 9, 601-608 (1990).
  4. Shi, W., Redshaw, M., Myers, E. G. Atomic masses of 32,33S, 84,86Kr, and 129,132Xe with uncertainties 0.1 ppb. Phys. Rev. A. 72, 022510(2005).
  5. Van Dyck, R. S. Jr, Zafonte, S. L., Van Liew, S., Pinegar, D. B., Schwinberg, D. B. Ultraprecise Atomic Mass Measurement of the α particle and 4He. Phys. Rev. Lett. 92, 220802(2004).
  6. Hobara, R., Yoshimoto, S., Hasegawa, S., Sakamoto, K. Dynamic electrochemical-etching technique for tungsten tips suitable for multi-tip scanning tunneling microscopes. e-J. Surf. Sci. Nanotechnol. 5, 94-98 (2007).
  7. Klein, M., Schwitzgebel, G. An improved lamellae drop-off technique for sharp tip preparation in scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 68, 3099-3103 (1997).
  8. Kerfriden, S., Nahlé, A. H., Campbell, S. A., Walsh, F. C., Smith, J. R. The electrochemical etching of tungsten STM tips. Electrochim. Acta. 43, 1939-1944 (1998).
  9. Lemke, H., Göddenhenrich, T., Bochem, H. P., Hartmann, U., Heiden, C. Improved microtips for scanning probe microscopy. Rev. Sci. Instrum. 61, 2538-2538 (1990).
  10. Song, J. P., Pryds, N. H., Glejbøl, K., Mørch, K. A., Thölén, A. R., Christensen, L. N. A development in the preparation of sharp scanning tunneling microscopy tips. Rev. Sci. Instrum. 64, 900-903 (1993).
  11. Fowler, R. H., Nordheim, L. Electron Emission in Intense Electric Fields. Proc. R. Soc. Lond. A. , 119-173 (1928).
  12. Kim, Y. -G., Choi, E. -H., Kang, S. -O., Cho, G. Computer-controlled fabrication of ultra-sharp tungsten tips. J. Vac. Sci. Technol. B. 16, 2079(1998).
  13. Brown, K. L., Tautfest, G. W. Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams. Rev. Sci. Instrum. 27, 696(1956).
  14. Redshaw, M., et al. Fabrication and characterization of field emission points for ion production in Penning trap applications. Int. J. Mass Spectrom. 379, 187-193 (2015).
  15. Ibe, J. P., et al. On the electrochemical etching of tips for scanning tunneling microscopy. J. Vac. Sci. Technol. A. 8, 3570(1990).
  16. Ekvall, I., Wahlström, E., Claesson, D., Olin, H., Olsson, E. Preparation and characterization of electrochemically etched W tips for STM. Meas. Sci. Technol. 10, 11-18 (1999).
  17. Schiller, C., Koomans, A. A., van Rooy, T. L., Schönenberger, C., Elswijk, H. B. Decapitation of tungsten field emitter tips during sputter sharpening. Surf. Sci. 339, L925-L930 (1995).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrochemical EtchingField Emission PointsTungsten RodsSodium Hydroxide SolutionScanning Electron MicroscopyField Emission ModeElectron Beam CurrentVacuum Chamber SetupHigh Voltage SupplyPenning Trap Mass Spectrometry

Related Articles