Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

A method for electrochemically etching field emission tips is presented. Etching parameters are characterized and the operation of the tips in field emission mode is investigated.

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. The results of studies in which the etching current and the molarity of the NaOH solution used in the etching process were varied are presented. The investigation of the geometry of the tips, by imaging them with a scanning electron microscope, and by operating them in field emission mode is also described. The field emission tips produced are intended to be used as an electron beam source for ion production via electron impact ionization of background gas or vapor in Penning trap mass spectrometry applications.

Scharfe Spitzen oder Punkte sind seit langem in Mikroskopieanwendungen, wie beispielsweise die Feldionenmikroskops (FIM) ¹ und dem Rastertunnelmikroskop (STM) ² und eine Reihe von Techniken zur Herstellung von scharfen Spitzen der verschiedenen Materialien wurden entwickelt ³ verwendet. Diese scharfen Spitzen können auch als Feldemissionspunkte (FEPs) betrieben werden, indem eine hohe Spannung für sie geltenden und dienen als bequeme Elektronenstrahlquelle. Eine Anwendung wie Quelle Ionenproduktion über Elektronenstoß-Ionisation (EII). Der FEP ist besonders vorteilhaft in Anwendungen, bei denen Temperaturschwankungen durch die thermische Emitter unerwünscht erzeugt. Zum Beispiel Ionenproduktion über EII von Hintergrundgas oder Dampf in hoher Präzision Penningfallen ^4,5.

Eine einfache Methode zur Herstellung FEPs ist elektrochemisch Wolframstäben in einer Natriumhydroxid (NaOH) Lösung ätzen. Diese Technik ist relativ einfach zu implementieren, mitbescheidenen Ausrüstung und wurde ziemlich reproduzierbar und zuverlässig erwiesen. Eine Anzahl von Verfahren sind in der Literatur beschrieben und Verbesserungen dieser Techniken weiterhin ⁶ zu erscheinen. Hier beschreiben wir ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von Wolfram Spitzen in einer NaOH-Lösung. Unser Verfahren ist eine Variation der Lamellen Drop-Off - Technik ^7,8 und die schwimmende Schicht Technik ^9,10. Wie diese beiden Methoden ermöglicht es die Produktion von zwei Spitzen aus einem einzigen Ätzvorgang. Ein Bild der Versuchsapparatur für die Spitzen Ätzen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Ätzvorrichtung. Fotografie des Versuchsapparatur für elektrochemische Ätzen von Wolframstäben verwendet mit NaOH - Lösung. Bitte klickenhier, um eine größere Version dieser Figur sehen.

Elektrochemische Ätzen von Wolfram in der wässrigen NaOH Base erfolgt über einen zweistufigen Prozess. Zunächst werden Zwischenwolframoxiden gebildet wird, und zweitens diese Oxide sind nicht-elektrochemisch das lösliche Wolframat-Anion zu bilden, gelöst. Dieses Verfahren wird beschrieben, in vereinfachter Form durch die beiden Reaktionen

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

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

Die Ätzstroms und die NaOH-Lösung Molarität verwendet beeinflussen die Zeit und die erforderliche Spannung durch den Wolframstab zu ätzen. Die Untersuchung dieser Effekte werden vorgestellt und diskutiert. Noch wichtiger ist, haben die Ätzparameter einen Einfluss auf die Geometrie der Spitzen und als solche Feldemissionsmodus auf den Betrieb in. Die Geometrie der Spitzen wir produziert wurden durch Abbilden sie mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) charakterisiert. Diese Bilder können verwendet werden, um abschätzen zu können, um beispielsweise die Spitzenradius. Darüber hinaus wurden die Spitzen in Feldemissionsmodus durch Anlegen einer negativen Spannung von typischerweise einigen hundert Volt bis zu einigen Kilovolt, um sie und die Überwachung des sich ergebenden Elektronenemissionsstrom betrieben. Die Beziehung zwischen der Feldemissionsstrom, I, und die angelegte Vorspannung, V, kann ¹¹ durch die Fowler-Nordheim - Gleichung beschrieben werden

(3) I = AV ² e ^{-Cr _eff / V,}

wobei R _eff der effektive Radius der Spitze ist, A eine Konstante ist und C die zweite Fowler-Nordheim - Konstante In denen b = 6,83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> ist die Austrittsarbeit von Wolfram ( ≈ 4,5 eV), k ist ein Faktor, der von der Geometrie abhängt (k ≈ 5) und ist der Korrekturterm Nordheim Bild ( ≈ 1) ^12. Somit kann der effektive Radius der Spitze durch Messung des Elektronenstroms als Funktion der Vorspannung bestimmt werden. Genauer gesagt, es kann aus der Steigung einer sogenannten Fowler-Nordheim (FN) Auftragung von ln (I / V ²⁾ vs 1 / V erhalten werden.

1. elektrochemisches Ätzen

1. Versuchsaufbau
   1. Gerät
      Hinweis: Die elektrochemisches Ätzen von Set-up erfordert eine Standard-0-30 V Gleichstrom (DC) Benchtop-Stromversorgung und entsprechenden Kabel, ein Trenntrichter, eine breite Basis Becherglas und Standardstab und Versorgungsklemme mit elektrisch isolierenden Griff. Kleine Schrauben, isoliert Stand-offs, und Krokodilklemmen wird auch erforderlich sein. Zusätzliche Elemente, unten beschrieben und im Bild der Ätzvorrichtung in 1, muss hergestellt werden gezeigt.
      1. Machen Sie einen Wolframstabhalter aus einem etwa 100 mm Länge 6 mm Durchmesser Aluminiumstange. Bohren Sie ein 0,5 mm Durchmesser ca. 8 mm tiefes Loch in der Mitte, und machen eine Gewindebohrung für eine 4-40 Schraube in der Seite der Stange in Position zu halten.
      2. Machen Sie eine Gegenelektrode aus einem etwa 100 mm x 30 mm x 3 mm dicke Kupferplatte mit einem ca. 75 mm x 20 mmx 1,5 mm tief Reservoir hinein gefräst, und ein 1,5 mm Durchmesser Loch in der Mitte. Befestigen etwa 15 mm lang isolierte Abstandshalter an der Rückseite der Gegenelektrode.
      3. Machen Sie einen FEP Fänger durch einen 6 mm Durchmesser 8 mm tiefes Loch in eine etwa 75 x 20 x 20 mm Kupferblock zu bohren.
   2. Herstellung von Wolframstab
      1. Verwenden Sie Draht Clippers, die 0,5 mm Durchmesser Wolframstäbe in etwa 25 mm Länge geschnitten.
      2. Reinigen der Stäbe in Aceton in einem Ultraschallbad für 15 min.
      3. Spülen Sie die Stangen mit entsalztem Wasser.
   3. Ätzlösung
      Achtung: NaOH-Lösung ist eine ätzende Alkalilösung NFPA 704 Label: Entzündbarkeit (0), Gesundheit (3), Instabilität / Reaktivität (0), Special (COR) -und kann Verätzungen verursachen, wenn es in Kontakt mit der Haut kommt oder Augen. Das Einatmen von Dämpfen kann zu Reizungen und Verätzungen der Atemwege führen. Wenn NaOH-Lösung Handhabung, wear Laborschutzbrille und Gesichtsschutz zum Schutz der Augen und Handschuhe und eine Schürze um die Haut zu schützen. Führen Sie den Ätzvorgang in einer Abzugshaube oder ein Beatmungsgerät tragen. Es sollte darauf geachtet werden, wenn Schritt 1.1.3.1 Durchführen der verdünnten NaOH-Lösung zu erzeugen. Dieser Prozess ist sehr exotherm und kann die Wärme freisetzen, die zu Verbrennungen führen oder sich entzünden entzündliche Stoffe verursachen und könnte die Lösung zu spritzen aus dem Behälter führen.
      1. Machen Sie eine 1,5 M NaOH-Lösung von 30 ml 50 Gewichts-% NaOH-Lösung mit 370 ml entsalztem Wasser Kombination eines 400 ml Gesamtvolumen zu machen.
      2. Füllen Sie einen Trenntrichter mit der NaOH-Lösung.
   4. Cut-off - Schaltung
      Hinweis: Wenn die DC-Stromversorgung manuell betrieben werden soll, dann wird der Bediener die Stromzufuhr ab, wenn die Wolframstab den ganzen Weg durch geätzt wurde (siehe 1.2.2). Bei manueller Betrieb, überspringen 1.2 zu Schritt. Für automatische Abschaltung der Gleichstromversorgung, die Cut-Off-Schaltung (siehe 2 und unten) beschrieben, sollte aufgebaut werden. Hier setzen wir die Computersteuerung mit einer DAQ-Karte.
      1. Schließen Sie ein Amperemeter in Reihe mit der Gleichstromversorgung.
      2. Schließen Sie zwei Widerstände R ₁ und R ₂ in Serie und parallel statt mit der Wolframstab / Gegenelektrode Ätzen Bein der Schaltung. (Sollwerte für R ₁ und R ₂ R ₁ = 5 k & OHgr; und R & _sub2 ; = 10 k & OHgr;) .
      3. Überwacht die Spannung über einen der Widerstände mit einem Analog-Digital - Wandler (ADC) und geeignete Computersteuersoftware, beispielsweise LabVIEW. Die überwachte Spannung, V _mon kann über beide Widerstände und damit auf die Spannung in Beziehung gesetzt werden, die Spannung über der Ätz Bein-, V - _Ätzung über
         (4) .
         whier die Spannung an R wird ₁ überwacht.
      4. Eine Verbindung mit einem geringen Widerstand Widerstand R _L = 1 Ω, in Serie in der Ätz - Schaltung. Verwenden, um einen zweiten Kanal auf der ADC die Spannung über diesen Widerstand zu erfassen. Der Ätzstroms wird dann über i ≈ V _L / R _{L ätzen} gefunden. (Es werden nur etwa 1 fließt mA den Monitor Zweig des Kreises zu werfen.)
      5. In der Software erstellen Sie ein Programm zur Ausgabe eines 5-V-TTL-Signal aus dem digitalen Ein- / Ausgabekanal (DI / O), wenn entweder die Ätzspannung steigt über einem Sollwert oder die Ätzstroms unter einen festgelegten Wert, was darauf hinweist, dass die Wolframstab ist den ganzen Weg durch geätzt. Diese Werte hängen von der Ätzstroms und NaOH-Lösung Molarität verwendet werden und sollte mit einem Testlauf des Experiments bestimmt werden.
      6. Wie in Abbildung 2 gezeigt, sorgen für die 5 - V - TTL - Signal oStift ein Relais den Stromfluss zu stoppen.

Figur 2 Prinzipschalt des Ätzens. Eine schematische Zeichnung des Ätzens Schaltung verwendet , um die konstante DC Ätzstrom zu liefern. Der Strom wird durch Überwachen der Spannung über einen Widerstand mit niedrigem Widerstand bestimmt, und die Spannung wird durch Überwachen der Spannung über einen Widerstand mit hohem Widerstand unter Verwendung eines ADC aufgezeichnet. Ein Computerprogramm überwacht den Strom und liefert eine 5 - V - Ausgangssignal an ein Relais, das die Ätzkreislauf einmal der Strom fällt unter einen bestimmten Wert geöffnet. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Etching Verfahren
   1. Vorrichtung Vorbereitung
      1. Stellen Sie die appar upatus wie in Figur 1, mit dem Kupfer FEP Fängerblock innerhalb des Breitbasisbecherglas gegeben und der Kupferkathode darüber befindlichen gezeigt, voneinander durch die isolierende Abstandshalter ab.
      2. Stellen Sie den Strom auf der Gleichstromversorgung auf den gewünschten Wert, typischerweise 200 mA.
      3. Legen Sie eine Wolframstab in der Halterung und schließen Sie den positiven Anschluss der Gleichstromversorgung an der 4-40 Halteschraube mit einer Krokodilklemme.
      4. Legen Sie die Wolframstab durch das Loch in der Kupferkathode, so dass etwa 12 mm von der Wolframstab durch das Loch.
      5. Die negative Klemme der Stromversorgung mit der Kupferkathode mit einer anderen Krokodilklemme.
   2. Radierung
      1. Manuelle Einstellung der Tropfrate des Trenntrichter alle 3 Sek die Tropfrate durch das Loch, etwa 1 Tropf übereinstimmen. Warten Sie auf das Reservoir in der Kupferkathode voll zu werden.
      2. Schalten Sie die Gleichstromversorgung zu bz.Beisp Ätzen.
      3. Wenn im manuellen Modus betrieben wird, schalten Sie die DC-Stromversorgung, wenn der untere Teil der Spitze ätzt den ganzen Weg durch und fällt ab. Wenn mit einer Abschaltautomatik Schalter betätigen, wird der Ätzstroms cut-off automatisch, sobald die Stange ätzt durch.

2. Charakterisierung von Feldemissions-Punkte

1. Inspektion von Tipps
   1. Entfernen Sie vorsichtig mit einer Zange oder Pinzette, um die untere Spitze aus dem Catcher Block. Entfernen Sie die obere Spitze von dem Stabhalter Wolfram durch die 4-40 Schraube lösen und vorsichtig die obere Spitze aus mit der Zange oder Pinzette ziehen.
   2. Spülen mit Aceton und dann mit entsalztem Wasser.
   3. Untersuchen mit einem optischen Mikroskop. Tipps sollen zu einer feinen Spitze verjüngend zu sehen. Diejenigen , die dies nicht tun, beispielsweise , weil sie gebogen werden oder nicht regelmäßige Kegelstruktur haben, sollten verworfen werden. 3 zeigt ein Beispiel für (a) Ein guter Tipp und (b) eine gebogene Spitze.
   4. Shop Tipps in einem Exsikkator.

Abbildung 3. Optische Bild von FEP Spitzen. Bild von (a) eine gute Spitze und (b) eine schlechte Spitze, wie durch ein optisches Mikroskop betrachtet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Rasterelektronenmikroskop (SEM) Imaging
   1. Für SEM Imaging, sichere FEP - Tipps zu einem leitenden Halter mit Klebeband leitenden oder von ihnen zu Anschrauben (zB siehe Abbildung 4) und Bild in einem SEM nach dem Protokoll des Herstellers bei Vergrößerungen von etwa 1,800X und 37,000X den Kegel zu sehen der Spitze und dem Ende der Spitze, respectively.


Abbildung 4. FEP Halterung für SEM - Bildgebung. Ein Bild von (a) oben und (b) der Boden des Halters verwendet FEPs zu sichern , während Bildgebung mit dem SEM. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.


Abbildung 5. Feldemissionsvorrichtung. Schematische Darstellung der verwendeten Vorrichtung einen HV zu den FEPs aufzubringen , während unter Vakuum einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Der Elektronenstrahlstrom auf dem Faraday - Cup mit einem Picoammeter überwacht wird. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3. Feldemissions-Tests
   1. Gerät
      Hinweis: Für die Feldemissions die folgenden Tests oder ähnliche Anlagen erforderlich sind: ein 6-Wege-6 "Conflat Flanschquerschnitte als eine Vakuumkammer zu dienen, drei 6" bis 2 ¾ "Conflat Flansch Länge Null-Adapter, eine SHV (Safe Hochspannung) Durchführung auf einem 2 ¾ "Conflat Flansch, eine BNC-Durchführung auf einem 2 ¾" Conflat Flansch, eine lineare Durchführung auf einem 2 ¾ "Conflat Flansch, ein 6" Conflat Flansch Fenster, ein 6 "Conflat Flansch leer aus, ein Turbovakuumpumpe zu einem 6 "Conflat angeflanscht und eine Pumpe (zB eine Pumpe Scroll) für den Turbo. eine Hochspannung (HV) Netzteil , welches auf -5 kV liefert bis auf Vorspannung benötigt der FEP, und ein Picoammeter erforderlich , um den Elektronenstrom aus dem FEP und gesammelt auf einem Faraday - cup, siehe zum Beispiel ^13. anstelle einer Faraday - cup, eine einfache leitende Sammelplatte verwendet werden , emittiert zu überwachen. ein schematic der Feldemissions Set-up ist in Abbildung 5 dargestellt.
      1. Machen Sie eine zweite Wolframstabhalter (siehe Schritt 1.1.1.1). Im entgegengesetzten Ende des Halters mit dem FEP bohren, um einen Durchmesser von 1 mm Loch bohren und ein Loch in der Seite der Stange für eine 4-40 Schraube tippen sie auf die Vakuumseite der SHV-Durchführung zu sichern.
      2. Einrichtungsvorrichtung die Feldemission , wie in 5 gezeigt. Der Becher Faraday sollte etwa 2 cm von dem Ende des FEP sein.
      3. Schließen Sie die HV Versorgung der SHV-Durchführung, die der FEP Halter ist an, und schließen Sie das Picoammeter an die BNC-Durchführung, dass der Faraday-Becher befestigt ist.
      4. Abpumpen der Set-up zu einem Druck von ^10-6 mbar oder darunter.
   2. Feldemissions
      1. Erhöhen Sie die Vorspannung auf dem FEP und überwachen den Elektronenstrahlstrom auf dem Faraday-Cup mit einem Picoammeter. Wenn Feldemission beginnt, wird ein Strom beobachtet aufdie Picoammeter.
      2. Erhöhen Sie die HV in inkrementalen Schritten (etwa 50 V) und notieren Sie die mittlere Elektronenstrahlstrom auf dem Picoammeter bei jedem Schritt. (Dieser Prozess kann computergesteuert beispielsweise durch eine LabVIEW - Programm sein , falls gewünscht, oder kann manuell erfolgen). Halten Sie den Elektronenstrahlstrom unter 1 uA.
   3. Anlage
      1. in Feldemissionsmodus bei 5 nA für 1 Stunde Erhaltung der Spitze durch den Betrieb.
      2. Wiederholen Sie den aktuellen vs HV Scan von 2.3.2.2.

Studium der Ätzparametern

Während des Ätzprozesses wird die Stromversorgung in konstantem Strom betrieben. Die Spannung erforderlich, um diese konstante Strom steigt leicht zu halten, wenn die Wolframstab weggeätzt wird (aufgrund der Erhöhung des Widerstandes der Stange). Der Strom fällt fast auf Null, wenn die Spitze durch den ganzen Weg ätzt. Ein kleiner Strom weiterhin aufgrund der Tatsache fließt, daß die obere Spitze noch in Kontakt mit der Ätzlösung ist. Eine graphische Darstellung von Strom und Spannung als Funktion der Zeit während des Ätzprozesses wird in 6 gezeigt.

Abbildung 6. Strom und Spannung während Prozess geätzt wird . Der Strom und die Spannung von der Stromversorgung während des Ätzprozesses geliefert. Daserforderliche Spannung der Konstantstrom steigt leicht während des Ätzprozesses aufgrund der Erhöhung des Widerstands zu halten, wenn die Wolframstab wegätzt. Die Fehlerbalken auf den Spannungsdatenpunkten, wie die Standard Unsicherheit in den Spannungsdaten bestimmt gemittelt in 15 sec bins, auch während der Ätzdauer infolge größerer Spannungsschwankungen in der Größe zunehmen. Der Strom fällt fast auf Null , wenn die Wolframstab durch den ganzen Weg ätzt und die untere Spitze abfällt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Nachdruck aus Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, Herstellung und Charakterisierung von Feldemissionspunkte für Ionenproduktion in Penningfallen - Anwendungen, Seiten 187 -. 193, Copyright (2015), mit Genehmigung von Elsevier.

Die Zeiterforderlich zum Ätzen durch die Wolframstab auf der Ätzstrom verwendet und auf die Molarität der Lösung abhängt. 7 (a) zeigt die Zeit durch eine als Funktion der Ätzstrom 0,5 mm Durchmesser Wolframstab zu ätzen , die für drei verschiedene Molarität NaOH Lösungen. Die Ätzrate steigt linear mit Strom. Potenzgesetz passt der Ätzzeit als Funktion der Strom gab Exponenten von 1 für alle drei NaOH Lösung Molaritäten. 7 (b) zeigt , daß die Ätzung Spannung - Strom linear proportional ist und daß die Spannung der Konstantstrom abnimmt liefern erforderlich mit zunehmender Molarität. Diese Beziehung ist von Ohmschen Gesetz erwartet werden: die Anzahl der Ladungsträger in der Lösung und damit die effektive Leitfähigkeit wird durch die Molarität der Lösung bestimmt. Die Abhängigkeit der Ätzzeit oder inverse Ätzrate auf Strom, wie in 7 zu sehen ist (a) basiert auf Eqn erwartet. (1). aberAuch zeigt, Figur 7 (a) , dass für niedrige Stromeinstellungen von 100 mA, die Ätzrate mit zunehmender Molarität abnimmt. Dies könnte von dem niedrigeren Potential führen erforderlich , um diesen Strom für die hohe Molarität Lösung zu halten, da auch aktuelle Ätzen auf dem Potential abhängt erforderlichen ¹⁵ die Reaktion anzutreiben.

Abbildung 7 Etching Zeit und Spannung vs Strom und Molarität (a) Haupt. Erforderliche Zeit zum Ätzen durch 0,5 mm Durchmesser Wolframstäben als Funktion der Ätzstrom für NaOH - Lösung Molaritäten von 0,75, 1,5 und 3,0. (B) Der Einschub zeigt. Durchschnittliche Spannung durch die Konstantstromversorgung während des Ätzprozesses geliefert Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Wiedergabe aus Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, Herstellung und Charakterisierung von Feldemissionspunkte für Ionenproduktion in Penningfallen - Anwendungen, Seiten 187 -. 193, Copyright (2015), mit Genehmigung von Elsevier.

REM - Aufnahmen:

SEM - Bildgebung kann verwendet werden , um die Struktur der Spitze zu offenbaren. 8 zeigt REM - Aufnahmen von (a) oben und (b) unten Spitzen. In (i) können die unteren Spitzen einen größeren Seitenverhältnis als die Top-Tipps zu haben, gesehen werden. Dies ist aufgrund der Tatsache, dass einige Ätzlösung wird mit der Wolframstab nach unten, Ätzen oder Polieren der Oberfläche. Die Bilder in (ii) und (iii) zeigen, dass die unteren Spitzen der Regel einen spitzen Kegelwinkel haben und in vielen Fällen eine große Birne an der Spitze haben, die effektive Krümmungsradius zu erhöhen. Die oberen Spitzen auf der anderen Seite im Allgemeinen verjüngenzu einer feinen Spitze.

Abbildung 8. REM - Aufnahmen von Feldemissionsspitzen. REM - Aufnahmen von (a) oben und (b) unten aus einer geätzten Spitzen 0,5 mm Durchmesser Wolframstab unter Verwendung von 0,75 M NaOH - Lösung und eine nominell 200 mA Ätzstroms, mit Vergrößerungen von (i gezeigt ) 35x, (ii) 1,800X, und (iii) 37,000X. Bitte hier klicken um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Nachdruck aus Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, Herstellung und Charakterisierung von Feldemissionspunkte für Ionenproduktion in Penningfallen - Anwendungen, Seiten 187 -. 193, Copyright (2015), mit Genehmigung von Elsevier.

Die Glühbirne Struktur auf den unteren Spitzen gesehen hat, von anderen beobachtet wordenForscher, beispielsweise Ibe et al. ^15, und ist an der Spitze der Rückstellkraft zurückgeführt , da sie off Frakturen und fällt das Unterteil. In diesem Szenario kann die Energie, die während Fracturing freigesetzt lokales Schmelzen verursachen, Verformen der Spitze. Die oberen Spitzen zeigen keine entsprechenden Glühbirne. Wir führen dies auf die Post-Drop-off Ätzdauer, nachdem die unteren Spitzen abfällt, aber bevor der Strom komplett abgeschaltet (der Strom abnimmt deutlich, nachdem die untere Spitze abfällt, geht aber nicht vollständig auf Null, da die obere Spitze ist immer noch in Kontakt mit der Ätzlösung).

Feldemissionsprüfungen:

Die FEPs wurden in Feldemissionsmodus betrieben werden, indem eine negative Vorspannung von zwischen wenigen hundert Volt und einigen Kilovolt zwischen dem FEP und Masse angelegt wird. Die Feldemissionselektronen schlug einen Faraday-Cup, und der Stromverzeichnet. Die Feldemissionsstrom als Funktion der Vorspannung untersucht. Eine graphische Darstellung von ln (I / V ²⁾ vs 1 / V zeigt eine linear abnehmende Abhängigkeit. Diese Beziehung wird auch durch den Fowler-Nordheim-Gleichung beschrieben. Unter Verwendung dieser Gleichung und die Steigung der Daten in dem Fowler-Nordheim (FN) Plot kann der effektive Radius der Spitze extrahiert werden. Diese Messungen waren konsistent mit den Ergebnissen aus den REM - Aufnahmen ¹⁴ erhalten. Die Spitzen wurden für ~ 1 Stunde konditioniert, indem sie in Feldemissionsmodus mit einem konstanten Strom von ~ 5 nA betrieben wird. Nach dieser Zeit wurde die Messung der Feldemissionsstrom vs Vorspannung wiederholt. Im allgemeinen änderte sich die Position der Daten auf dem FN Plot und die Steigung. In 9 sieht man , dass nach dem Konditionierungsprozess die Spitzen Feuer bei einer niedrigeren Spannung und die Neigung verringert hat gesehen werden. Dies zeigt, dass der effektive Radius der Spitze verringert hat und damit das elektrische Feld erforderlich remove Elektronen von der Spitze bei einer niedrigeren Vorspannung erreicht werden.

Abbildung 9. Fowler-Nordheim - Plot. Plot von ln (I / V ²⁾ als Funktion von 1 / V durch Abtasten der Vorspannung erhalten, V, auf den FEP angewandt und die mittlere Feldemissionsstrom der Aufnahme, I, durch die erzeugte Spitze. Die beiden Datensätze entsprechen Messungen nach dem FEP ersten gebrannt und 1 Stunde nach der Konditionierung. Die Geraden sind lineare Least-Squares passt auf die Daten, von denen die Steigung auf den effektiven Radius der Spitze proportional ist. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Nachdruck aus Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al., Herstellung und Charakterisierung von fiFeldemissionspunkte für Ionenproduktion in Penningfallen - Anwendungen, Seiten 187-193, Copyright (2015), mit Genehmigung von Elsevier.

Die Konditionierung der FEPs, gefolgerte aus den Daten in 9 gezeigt ist , legt nahe , dass die Feldemissionsprozess die effektive Radius der Spitze des FEP reduzieren. Dieses Verhalten wurde von anderen Forschern beobachtet und zu einer Erwärmung der Spitze durch den Elektronenstrom zurückgeführt und Sputtern von Atomen und Molekülen in dem Hintergrundgas des Vakuums , das durch den Elektronenstrahl und beschleunigt in Richtung auf die Spitze des FEP ionisiert ^{16 , 17.} In unserer Vorrichtung war der Haupthintergrundgas (bestimmt mit einem Restgasanalysator) H ₂ O, und die am reichlichsten vorhandene Ionenspezies produziert wurde H ₃ O ⁺ (über die Zyklotronfrequenz von Ionen in einer Penning - Falle bestimmt , ^14). Das Erhitzen kann das Ende des FEP reinigen und mich auchlt die Spitze. Die Ergebnisse der Schmelzbereich von einer Umordnung der Atome an der Spitze, welche die Spitze schärfen können, um ein geschmolzenes blob Material am Ende der Spitze zu produzieren, ist es Abstumpfung. Sputtering kann Material von der Spitze zu entfernen, damit es zu schärfen, und kann auch die Spitze des FEP enthaupten. Wesentliche Änderungen in der Feldemissionsstrom wurden oft während des Aufbereitungsprozesses beobachtet und REM-Aufnahmen von FEPs nach Feldemission zeigten signifikante Veränderungen in der Geometrie der Spitze, einschließlich der Bildung von Klumpen aus geschmolzenem Metall an der Spitze, abgebogenen Spitzen, und Tipps, die see-enthauptet Redshaw et al hatte. Weitere Einzelheiten ^14.

Wir haben einfache Verfahren beschrieben elektrochemisch scharfe Feldemissionspunkte (FEPs) in einer NaOH-Lösung zu ätzen, und die FEPs zu testen, indem sie in Feldemissionsmodus betrieben wird. Das Ätzverfahren beschrieben ist eine Variation der bestehenden Techniken-Lamellen Drop-Off - Technik ^7,8 und der Schwimmschicht - Technik ^9,10. Allerdings fanden wir es bequemer und zuverlässiger zu implementieren als die zuvor genannten Verfahren.

Bevor der Ätzvorgang beginnend, die Wahrscheinlichkeit der Herstellung von Spitzen mit grober Verformungen zu minimieren, beispielsweise eine gebogene Spitze, wie in 2 gezeigt, muss der Wolframstab durch das Loch in der Kupferkathode möglichst senkrecht ausgerichtet werden. Während des Ätzens sollte die NaOH Tropfrate aus dem Scheidetrichter überwacht werden, um sicherzustellen, dass das Niveau der NaOH in dem kleinen Vorratsbehälter in der Kupferkathodenplatte in etwa konstant bleibt. Am Ende des usw.Hing Verfahren, wird die untere Spitze abfallen, und die Ätzstroms stark reduziert werden. Kurz nach diesem Drop-off sollte der Ätzstroms vollständig die Spitze durch fortgesetzte Ätzen zu vermeiden abgeschaltet werden Abstumpfung. Jedoch in diesem Stadium einige Ätzen / Polieren der Spitze ist vorteilhaft für die Herstellung von FEPs als Elektronenstrahlquellen verwendet werden, da es scheint , dass diese Polierstufe die Spitze glätten und zu entfernen Unregelmäßigkeiten ^14. In unserem Set-up ein Cut-off-Zeit von ca. 100 ms nach der unteren Spitze wurde abfällt verwendet Spitzen mit Radien von ~ 100 nm zu erzeugen. Andere Forscher haben schnell auf Transistorbasis Cut-off-Schaltungen verwendet, um den Ätzprozess in weniger als 500 ns nach dem Drop-off des unteren Teils der Spitze zu stoppen, in Spitzen mit Radien resultierenden bis zu ~ 10 nm verwendet werden, für STM - Anwendungen ^12,15. Eine solche Schaltung wurde auch in unserem Set-up getestet und Spitzen mit <100 nm Radien aktiviert hergestellt werden. Allerdings fanden wir, dass diese Tipps waren weniger einheitlich eindie Spitze t und führen nicht so gut in Feldemissionsmodus, weil, wie wir glauben, die kleineren Spitzen machte sie zu anfälliger durch den Elektronenstrahlstrom geschmolzen wird.

Feldemission wurde initiiert durch eine negative HV zum FEP Anwendung, die sich allmählich erhöht, bis der FEP gebrannt. Die Spannung , die erforderlich Feldemission zu initiieren , hängt von der Geometrie der Spitze und ist in der Regel niedriger für schärferen Spitzen ^14. Während die FEP zum ersten Mal Brennen sollte die HV nicht zu schnell gescannt werden (~ 250 V / sec) einen plötzlichen Stromspitze zu vermeiden. Wir hielten im allgemeinen die Elektronenstrahlstrom unter 1 uA Schmelzen der Spitze zu vermeiden. Nachdem die Spitze gebrannt hatte, konditioniert wir es für 1 h, indem sie es in Feldemissionsmodus mit einem Elektronenstrahlstrom von ~ 5 nA betrieben wird. Wir fanden , dass dieses Verfahren die Spitze stabiler gemacht, dh die HV erforderlich , um eine gegebene Elektronenstrahlstrom (typischerweise 1 nA oder weniger in unserer Anwendung) blieb relativ konstant zu produzieren.

Zusammengefasst haben wir eine Straight-Forward-Technik für elektrochemisches Ätzen von scharfen FEPs aus Wolframstäben dargestellt. Diese FEPs wurden in Feldemissionsmodus mit Spannungen im Bereich von einigen hundert Volt bis einigen Kilovolt zu erzeugen, einen Emissionsstrom in der Größenordnung von nA erfolgreich betrieben. Diese FEP - Tipps sind auch in einer Penningfallen - Massenspektrometrie Anwendung ¹⁴ implementiert.

The authors have nothing to disclose.

We acknowledge the services of Stanley Flegler, Carol Flegler, and Abigail Tirrell at the MSU Center for Advanced Microscopy. We thank Ray Clark and Mark Wilson for technical assistance with the set-up of the electrochemical etching apparatus. Earlier contributions from Anne Benjamin, Georg Bollen, Rafael Ferrer, David Lincoln, Stefan Schwarz and Adrian Valverde, and technical assistance from John Yurkon are also acknowledged. This work was partially supported by the National Science Foundation contract no. PHY-1102511 and PHY-1307233, Michigan State University and the Facility for Rare Isotope Beams, and Central Michigan University.