אלקטרוכימי תחריט ואפיון של נקודות שדה פליטה שארפ עבור יינון אלקטרונים

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.

טיפים או נקודות שארפ כבר זמן רב בשימוש ביישומים מיקרוסקופית, כגון המיקרוסקופ יון שדה (FIM) ¹ ואת מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) ^2, ומגוון של טכניקות לייצור בקצוות החדים של חומרים שונים פותחו ^3. טיפים חדים אלה יכולים להיות מופעלים גם כנקודות פליטת שדה (FEPs) על ידי החלת מתח גבוה להם, ולשמש מקור אלקטרוני קורה נוח. אחד היישומים של כגון המקור הוא ייצור יון באמצעות יינון השפעה אלקטרונים (EII). FEP יתרון במיוחד ביישומים שבהם תנודות הטמפרטורה המיוצר על ידי קרינת חום אינם רצויים. לדוגמא, ייצור יון באמצעות EII גז רקע או אדי דיוק גבוה פנינג מלכודות ^4,5.

שיטה פשוטה עבור בודה FEPs היא לחרוט מוטות טונגסטן אלקטרוכימי בתוך נתרן הידרוקסידי פתרון (NaOH). טכניקה זו היא פשוטה יחסית ליישם עםציוד צנוע הוכח להיות די לשחזור ואמין. מספר שיטות מתוארים בספרות ושיפורים הטכניקות הללו ממשיכים להופיע ^6. כאן אנו מתארים שיטת התחריט אלקטרוכימי של טיפים טונגסטן בתמיסת NaOH. השיטה שלנו היא וריאציה של ^7,8 טכניקת ירידה- off lamella ואת ^9,10 טכניקת השכבה צף. כמו שתי שיטות הוא מאפשר את ייצורם של שני טיפי הליך תחריט יחיד. תמונה של המנגנון הניסיוני לתחריט הטיפים מוצגת באיור 1.

מנגנון תחריט באיור 1.. תצלום של מנגנון הניסוי נעשה שימוש חריטה אלקטרוכימי של מוטות טונגסטן עם פתרון NaOH. אנא לחץכאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תחריט אלקטרוכימי של טונגסטן בבסיס NaOH המימי מתרחש באמצעות תהליך דו שלבים. ראשית, תחמוצות טונגסטן ביניים נוצרות, ושנית, תחמוצות אלה שאינם אלקטרוכימי מומס כדי ליצור את אניון Tungstate המסיס. תהליך זה מתואר, בצורה פשוטה, על ידי שתי תגובות

(1) W + 6OH ^- → WO _{3 (S)} + 3H ₂ O + 6E ^-, ו

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

זרם התחריט ואת molarity פתרון NaOH המשמש להשפיע על זמן המתח הנדרש כדי לחרוט דרך מוט טונגסטן. מחקרים על השפעות אלה הוצגו ונדונו. יתרה מכך, את הפרמטרים תחריט יש השפעה על הגיאומטריה של טיפים, וככזה, על פעולתן במצב פליטת שדה. הגיאומטריה של טיפים שהפקנו התאפיינו ומצלמת אותם עם מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). תמונות אלה יכולים לשמש כדי להעריך, למשל, רדיוס הקצה. בנוסף, טיפים הופעלו במצב פליטת שדה ידי החלת מתח שלילי של בדרך כלל כמה מאות וולט כמה kilovolts להם וניטור הזרם פליטת אלקטרונים שהתקבל. הקשר בין נוכחי פליטת השדה, אני, ומיישם מתח הטיה, V, יכול להיות מתואר על ידי משוואת פאולר-Nordheim ¹¹

(3) אני = AV ² דואר ^{_EFF -Cr / V,}

שם _EFF r הוא הרדיוס האפקטיבי של הקצה, A הוא קבוע, ו- C הוא קבוע השני פאולר-Nordheim , שבו b = 6.83 eV ^{- 3/2} V / ננומטר,030eq11.jpg "/> היא עבודת הפונקציה של טונגסטן ( ≈ 4.5 eV), k הוא גורם זה תלוי בגיאומטריה (k ≈ 5), ו הוא המונח תיקון תמונה Nordheim ( ≈ 1) ^12. לפיכך, הרדיוס האפקטיבי של הקצה יכול להיקבע על ידי מדידת זרם האלקטרונים כפונקציה של מתח הטיה. באופן ספציפי, זה יכול להיות המתקבל שיפוע מגרש שנקרא פאולר-Nordheim (FN) של ln (I / V ²⁾ לעומת 1 / V.

1. תחריט אלקטרוכימיות

1. ניסוי הגדרה
   1. מַנגָנוֹן
      הערה: הגדרת תחריט אלקטרוכימי דורשת סטנדרט 0 - כוח benchtop 30 נוכחי V ישיר (DC) כבלי אספקה ​​וראויות, משפך separatory, כוס זכוכית בסיס רחבה, ואת מוט רגיל מדק שירות עם נקודות אחיזת בידוד חשמלי. ברגים קטנים, סטנד-offs המבודד, וסרטוני תנין גם יידרשו. פריטים נוספים מתואר מטה שמוצגים בתמונה של מנגנון התחריט באיור 1, חייבים להיות מפוברקים.
      1. הפוך מחזיק מוט טונגסטן בסך של כ 100 מ"מ אורך מוט אלומיניום בקוטר 6 מ"מ. מקדחה בקוטר 0.5 מ"מ כ 8 מ"מ חור עמוק במרכז, ולעשות חור טפח עבור בורג 4-40 בצד להחזיק את המוט במקום.
      2. הפוך אלקטרודה נגדית מהצלחת נחושת כ 100 מ"מ x 30 מ"מ x 3 מ"מ עובי עם כ 75 מ"מ x 20 מ"מx 1.5 מ"מ מאגר עמוק הסתובב לתוכו, וחור בקוטר 1.5 מ"מ במרכז. צרף כ 15 מ"מ מבודדים לטווח offs עמדה לצד האחורי של האלקטרודה הדלפק.
      3. תן לוכד FEP ידי קידוח חור עמוק 6 מ"מ קוטר 8 מ"מ לתוך גוש נחוש כ 75 x 20 x 20 מ"מ.
   2. הכנת מוט טונגסטן
      1. השתמש קוצץ תיל לחתוך את מוטות טונגסטן בקוטר 0.5 מ"מ לתוך כ 25 אורכי מ"מ.
      2. נקה את מוטות אצטון באמבטיה קולית במשך 15 דקות.
      3. שוטף את המוטות עם מים ללא יונים.
   3. פתרון תחריט
      זהירות: פתרון NaOH הוא תווית 704-NFPA פתרון אלקלי מאכל: דליקות (0), בריאות (3), חוסר יציבות / תגובתיות (0), מיוחד (COR) -ואז יכול לגרום לכוויות כימיות אם הוא בא במגע עם העור או עיניים. שאיפת אדי יכול לגרום לגירוי וכוויות אל דרכי הנשימה. בעת טיפול פתרון NaOH, אח"לr משקפי כימיים ולהתיז מסכת פנים להגנה על העיניים, וכפפות סינר כדי להגן על העור. בצע את הליך התחריט במנדף או ללבוש הנשמה. יש להקפיד בעת ביצוע צעד 1.1.3.1 לייצר פתרון NaOH המדולל. תהליך זה הוא אקסותרמית מאוד והוא יכול לשחרר חום שעלולה לגרום לכוויות או להצית חומרים דליקים, ועלול לגרום הפתרון להתיז מתוך המכולה.
      1. בצע פתרון 1.5 M NaOH ידי שילוב 30 מ"ל של 50% על ידי פתרון משקל NaOH עם 370 מ"ל מים ללא יונים להפוך בנפח כולל של 400 מ"ל.
      2. מלאו משפך separatory עם הפתרון NaOH.
   4. Cut-off מעגל
      הערה: אם אספקת חשמל DC היא להיות מופעלת באופן ידני, אז המפעיל יהפוך את אספקת החשמל כבוי פעם מוט טונגסטן חרט לאורך כל הדרך (ראה 1.2.2). במקרה של פעולה ידנית, דלג לשלב 1.2. לקבלת חתוכים אוטומטיים של אספקת מתח DC, המעגל החתוך (מוצג איור 2 ו המתואר להלן), צריך להיות בנוי. כאן, אנו ליישם את בקרת מחשב באמצעות כרטיס DAQ.
      1. חבר מד זרם בטור עם ספק כוח DC.
      2. חיבור שני נגדים, R ₁ ו- R ₂ בסדרה ומקום במקביל עם רגל תחריט אלקטרודה טונגסטן מוט / דלפק של המעגל. (ערכים נומינליים ₁ R ו- R ₂ הם R ₁ = 5 קילו-אוהם ו R ₂ = 10 קילו-אוהם.)
      3. צג את המתח על פני אחד נגדים עם תוכנות שליטה אנלוגי-לדיגיטלי ממיר (ADC) והמחשב מתאים, למשל, LabVIEW. המתח תחת הפיקוח, V _mon, יכול להיות קשור את המתח על פני שני נגדים ומכאן, את המתח על פני רגל התחריט, _לחרוט V, באמצעות
         (4) ,
         wכאן המתח נמצא במעקב על פני R _1.
      4. חבר נגד התנגדות נמוך, _L R = 1 Ω, בסדרה במעגל התחריט. השתמש ערוץ שני על ADC להקליט את המתח על פני הנגד הזה. זרם התחריט נמצא אז דרך i _לחרוט ≈ V _L / R _L. (רק כ 1 mA זורם לזרוק את רגל הצג של המעגל.)
      5. בתחום התוכנה, ליצור תוכנית פלט אות 5 V TTL מערוץ דיגיטלי קלט / פלט (DI / O), כאשר גם עליית מתח תחריט מעל לערך שנקבע, או טיפות הנוכחי תחריט להלן ערך מוגדר, המציין כי מוט טונגסטן חרט לאורך כל הדרך. ערכים אלה תלויים הנוכחי תחריט molarity פתרון NaOH בשימוש צריך להיקבע עם הפעלה נסיונית של הניסוי.
      6. כפי שניתן לראות בתרשים 2, לארגן את האות 5 V TTL כדי oעט ממסר כדי לעצור את הזרם.

איור 2. סכמטי של תחריט מעגל. ציור סכמטי של מעגל התחריט להשתמש בה כדי לספק את זרם תחריט DC קבוע. הזרם נקבע על ידי ניטור המתח על פני נגד התנגדות נמוך ואת המתח נרשם על ידי ניטור המתח על פני נגד עמידות גבוה באמצעות ADC. תכנית מחשב מנטרת את הנוכחי מספקת אות 5 V פלט ממסר שפותח את מעגל התחריט לאחר ניתוק הזרם מתחת לסכום מסוים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. הליך תחריט
   1. הכנת Apparatus
      1. הגדרת apparatus כפי שמוצג באיור 1, עם הבלוק הלוכד FEP הנחושת ממוקם בתוך מבחנת בסיס הזכוכית הרחבה הקתודה הנחושה ממוקמת מעליו, במרווחים את ידות בידוד סטנד-offs.
      2. הגדר את הנוכחי על אספקת החשמל DC לערך הרצוי, בדרך כלל 200 מילי-אמפר.
      3. מניחים מוט טונגסטן לפומית לחבר את הקוטב החיובי של אספקת החשמל DC אל בורג האחזקה 4-40 עם קליפ תנין.
      4. הכנס את מוט טונגסטן דרך חור הקתודה הנחושה כך כ -12 מ"מ של מוט טונגסטן עובר דרך החור.
      5. חבר את הקוטב השלילי של ספק הכוח קטודה נחושת עם קליפ תנין אחר.
   2. תַחרִיט
      1. באופן ידני להתאים את קצב הטפטוף של משפך separatory כדי להתאים את קצב הטפטוף דרך החור, על 1 לטפטף כל 3 שניות. חכה המאגר מצוי קטודה הנחושה להיות מלא.
      2. הפעל את אספקת מתח DC to bתחריט egin.
      3. אם הפעלה במצב ידני, כבה את אספקת חשמל DC פעם בחלק התחתון של הקצה משרטטת לאורך כל הדרך ויצא. אם פעולה עם מתג כיבוי אוטומטי, זרם התחריט יהיה אוטומטי לחתוך פעם מוט משרטטת דרך.

2. אפיון נקודות שדה פליטה

1. פיקוח של טיפים
   1. מוציאים בזהירות את קצה התחתון מהגוש לוכד באמצעות צבת או פינצטה. הסר את הקצה העליון מבעל מוט טונגסטן על ידי שחרור הבורג 4-40 בעדינות מושך את הקצה העליון החוצה עם הצבת או פינצטה.
   2. לשטוף עם אצטון ולאחר מכן עם מים ללא יונים.
   3. בדוק עם מיקרוסקופ אופטי. טיפים יש לראות להתחדד לנקודה בסדר. אלה שאינם, למשל, כי הם מכופפים או אין מבנה קונוס רגיל, אמור להיות מושלך. איור 3 מציג דוגמה (אטיפ טוב ו- (ב)) קצה מכופף.
   4. טיפי חנות ייבוש.

איור 3. תמונה אופטית של טיפי FEP. תמונה של (א) טיפ טוב (ב) טיפ רע, כפי שנצפה באמצעות מיקרוסקופ אופטי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) הדמיה
   1. הדמית SEM, טיפי FEP מאובטחים בעל ניצוח באמצעות עריכת סרט או על ידי הברגה אותם אליו (למשל, ראו איור 4) ותמונה בתוך SEM על פי הפרוטוקול של היצרן בהגדלות של כ 1,800X ו 37,000X כדי להציג את החרוט הקצה וסוף הקצה, בהתאמה.


איור 4. בעל FEP הדמיה SEM. תמונה של (א) החלק העליון (ב) בחלק התחתון של בעל המשמשת לאבטחת FEPs תוך הדמיה עם SEM. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.


שדה איור 5. מנגנון פליטה. סכמטי של המנגנון המשמש ליישם HV אל FEPs בעוד תחת ואקום כדי לייצר אלומת אלקטרונים. זרם אלומת אלקטרונים מנוטר על הספל פאראדיי עם picoammeter. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. בדיקות שדה פליטה
   1. מַנגָנוֹן
      הערה: עבור פליטת השדה בודקת את הבאה, או דומה, ציוד נדרש: 6-דרך 6 "חוצה מקורבת conflat לשמש בתא ואקום, שלושה 6" 2 ¾ "מתאמי אורך conflat מקורב אפס, גידול SHV (בטוחה מתח גבוה) מוזן על 2 ¾ "מקורב conflat, מוזני BNC על 2 ¾" מקורב conflat, מוזן לינארית 2 ¾ "מקורבת conflat, 6" חלון מקורב conflat, מקורבת conflat 6 "את חלולה משאבה טורבו ואקום רכובה על מקורבות 6 "conflat, ומשאבת גיבוי (למשל, משאבת גלילה) עבור טורבו. מתח גבוה (HV) ספק כוח מסוגל לספק עד ל -5 kV נדרשה להטות את FEP, ו ניתן להשתמש picoammeter נדרש לפקח על הנוכחי אלקטרונים הנפלטים FEP ואסף על כוס פאראדיי, ר 'למשל, ^13. חלף כוס פאראדיי, צלחת אוסף ניצוח פשוטה. schematiג של פליטת שדה ההגדרה מוצג באיור 5.
      1. הפוך החזיק מוט טונגסטן שני (ראה שלב 1.1.1.1). בסופו של דבר ההפך הפומית אל FEP לקדוח חור בקוטר 1 מ"מ ולקדוח והקש חור בצד של מוט עבור בורג 4-40 כדי לאבטח אותו אל הצד ואקום של מוזנים SHV.
      2. הגדרת מנגנון פליטת שדה כפי שמוצג באיור 5. הגביע פאראדיי צריך להיות בערך 2 ס"מ מהקצה של FEP.
      3. חבר את אספקת HV אל מוזני SHV שמחזיק FEP מחובר, ולחבר את picoammeter אל מוזני BNC שכוס פאראדיי מצורפת.
      4. משאבה במורד ההגדרה ללחץ של 10 ^{- 6} mbar או מתחת.
   2. פליטת שדה
      1. בהדרגה להגדיל את ההטיה על FEP ולנטר את הנוכחי אלומת אלקטרונים על כוס פאראדיי עם picoammeter. כאשר פליטת שדה מתחילה, זרם יקוים עלpicoammeter.
      2. להגדיל את HV בצעדים מצטבר (של כ -50 V) ורשמו את הנוכחי אלומת אלקטרונים הממוצע על picoammeter בכל שלב. (תהליך זה יכול להיות למשל מבוקרת מחשב, על ידי תוכנית LabVIEW אם רוצים, או יכול להיעשות באופן ידני). שומרים על עדכניות אלומת אלקטרונים מתחת ל -1 מיקרו-אמפר.
   3. הַתנָיָה
      1. להתנות את הקצה על ידי הפעלה במצב פליטת שדה ב 5 Na עבור שעה 1.
      2. חזור על הנוכחי לעומת סריקת HV של 2.3.2.2.

לחקר פרמטרים תחריט

במהלך תהליך תחריט אספקת החשמל מופעלת במצב זרם קבוע. המתח הנדרש כדי לשמור על עליות זרם קבוע זה מעט כמו מוט טונגסטן חקוק משם (עקב עליית התנגדות של המוט). הזרם יורד כמעט לאפס כאשר הקצה משרטט לאורך כל הדרך. זרם קטן ממשיך לזרום בשל העובדה כי הקצה העליון הוא עדיין בקשר עם פתרון התחריט. עלילה של מתח וזרם כפונקציה של הזמן בתהליך התחריט מוצגת באיור 6.

איור 6. זרם ומתח במהלך תחריט תהליך. המתח הנוכחי המסופק על ידי אספקת החשמל במהלך תהליך התחריט. המתח הנדרש כדי לשמור על עליות זרם הקבועות מעט במהלך תהליך האיכול בשל גידול ההתנגדות כמו המוט טונגסטן משרטט משם. הברים שגיאה על נקודות נתונים מתח, שנקבעו אי-הוודאות הסטנדרטית בנתוני המתח בממוצע ב -15 פחי שניות, גם להגדיל את שטחיו בתקופת התחריט כתוצאה מתנודות מתח גדולות. הזרם יורד כמעט לאפס כאשר מוט טונגסטן משרטט לאורך כל הדרך והקצה התחתון יורד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
נדפס מן Int. ג'יי Mass Spectrom., Vol. 379, מ 'Redshaw, et al, ייצור ואפיון של נקודות פליטת שדה לייצור יון ביישומים מלכודת פנינג, עמודים 187 -. 193, זכויות יוצרים (2015), באישור Elsevier.

הזמןנדרש לחרוט דרך מוט טונגסטן תלוי נוכחי התחריט משומש על molarity של הפתרון. איור 7 (א) מציג את הזמן הנדרש כדי לחרוט באמצעות מוט טונגסטן בקוטר 0.5 מ"מ כפונקציה של זרם תחריט במשך שלושה molarity השונה NaOH פתרונות. שיעור תחריט עליות ליניארי עם הנוכחי. חוק הכח מתאים זמן תחריט כפונקציה של הנוכחי נתנה מעריכים של 1 לכל molarities פתרון השלושה NaOH. איור 7 (ב) עולה כי מתח התחריט הוא מידתי באופן ליניארי נוכחי וכי המתח הנדרש כדי לספק את ירידות זרם הקבועות עם הגדלה molarity. מערכת יחסים זו היא צפויה מן חוק אוהם: מספר נושאי מטען זמינים הפתרון, ולכן המוליכות היעילות, נקבע על ידי molarity של הפתרון. התלות של זמן תחריט, או שיעור תחריט הפוך, על נוכחי, כפי שניתן לראות באיור 7 (א) צפוי מבוסס על Eqn. (1). למרות זאתגם, איור 7 (א) מראה כי עבור ההגדרות הנוכחיות נמוכות של 100 מילי-אמפר, שיעור תחריט יורדת עם הגדלת molarity. זה יכול לנבוע הפוטנציאל הנמוך נדרש בכדי לשמור נוכחי לפתרון molarity גבוה, שכן תחריט נוכחי תלויה גם הפוטנציאל הנדרש לנהוג התגובה ^15.

איור 7. תחריט זמן ומתח vs הנוכחי molarity (א) ראשי:. הזמן הנדרש כדי לחרוט באמצעות 0.5 מ"מ קוטר מוטות טונגסטן כפונקציה של תחריט הנוכחי עבור molarities פתרון NaOH של 0.75, 1.5, ו -3.0. (ב) הבלעה:. מתח ממוצע שספק את אספקת החשמל מתמיד השוטפת במהלך תהליך התחריט אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
להדפיסם מ Int. ג'יי Mass Spectrom., Vol. 379, מ 'Redshaw, et al, ייצור ואפיון של נקודות פליטת שדה לייצור יון ביישומים מלכודת פנינג, עמודים 187 -. 193, זכויות יוצרים (2015), באישור Elsevier.

הדמית SEM:

הדמית SEM ניתן להשתמש כדי לחשוף את המבנה של הקצה. איור 8 מציג תמונות SEM של (א) עליון (ב) טיפים תחתונים. ב (i), את הטיפים התחתונים ניתן לראות שיש יחס ממדים גדול יותר מאשר העצות החשובות. זאת בשל העובדה שחלק פתרון תחריט רץ במורד מוט טונגסטן, תחריט או ליטוש פני השטח. הדימויים (ii) ו- (iii) מראה כי הטיפים התחתונים יש בדרך כלל בזווית חרוטה חריפה ובמקרים רבים יש נורה גדולה בקצה, הגדלת הרדיוס האפקטיבי של עקמומיות. העצות העליונות מצד שני בדרך כלל להתחדדעד לנקודה בסדר.

איור 8. SEM תמונות של טיפים פליטת שדה. SEM תמונות של (א) העליון (ב) טיפים בתחתית חרוט ממוט טונגסטן 0.5 מ"מ קוטר באמצעות 0.75 פתרון M NaOH ו זרם תחריט 200 mA להלכה, מוצג עם בהגדלה של (i 35X), (ii) 1,800X, וכן (iii) 37,000X. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
נדפס מן Int. ג'יי Mass Spectrom., Vol. 379, מ 'Redshaw, et al, ייצור ואפיון של נקודות פליטת שדה לייצור יון ביישומים מלכודת פנינג, עמודים 187 -. 193, זכויות יוצרים (2015), באישור Elsevier.

המבנה נורה לראות על הקצים הנמוכים נצפה על ידי אחריםחוקרים, למשל, Ibe et al. ^15, ומיוחס לכוח רתע על הקצה כפי שברי היצירה התחתונה יורדת. בתרחיש זה, האנרגיה שמשתחררת במהלך השבירה יכולה לגרום היתוך מקומי, עיוות הקצה. העצות העליונות לא מראות נורה מתאימה. אנו מייחסים זאת אל-הדואר נופל מחוץ תקופת תחריט לאחר הטיפים הנמוכים נושרים, אבל לפני הנוכחי כבוי לחלוטין (הירידות הנוכחיות באופן משמעותי לאחר הקצה התחתון נופל, אבל לא הולך לגמרי לאפס מאז הקצה העליון עדיין בקשר עם פתרון התחריט).

בדיקות פליטת שדה:

FEPs הופעל במצב פליטת שדה ידי החלת הטיית שלילית של בין כמה מאה וולט וכמה kilovolts בין FEP והקרקע. אלקטרוני פליטת השדה פגעו כוס פאראדיי והזרם היהמוּקלָט. זרם פליטת השדה כפונקציה של מתח הטיה נחקר. עלילה של ln (I / V ²⁾ לעומת 1 / V מראה תלות יורדת באופן ליניארי. מערכת יחסים זו מתוארת היטב על ידי משוואת פאולר-Nordheim. שימוש במשוואה הזאת ואת השיפוע של הנתונים בעלילת פאולר-Nordheim (FN), הרדיוס האפקטיבי של הקצה ניתן לחלץ. מדידות אלה עלו בקנה אחד עם תוצאות שהתקבלו מתמונות SEM ^14. העצות הותנו עבור ~ 1 hr ידי ותפעולן במצב פליטת שדה עם זרם קבוע של ~ 5 Na. לאחר פרק זמן זה, המדידה נוכחית פליטת שדה vs מתח הטיה חזרה על עצמו. באופן כללי, את המיקום של הנתונים על מגרש FN והשיפוע השתנו. באיור 9, ניתן לראות כי לאחר תהליך מיזוג השריפות טיפ במתח נמוך ו המדרון ירד. זה מצביע על כך הרדיוס האפקטיבי של קצה הפחת ולכן השדה החשמלי הנדרש כדי removאלקטרוני דואר מהקצה ניתן להשיג בכל פוטנציאל הטיה נמוך.

איור 9. פאולר-Nordheim עלילה. מגרש של ln (I / V ²⁾ כפונקציה של 1 / V שהושג על ידי סריקת מתח ההטיה, V, להחיל את FEP והקלטת זרם פליטת שדה הממוצע, אני, המיוצר על ידי עֵצָה. שתי ערכות הנתונים מתאימות מדידות שנלקחו לאחר FEP ירה ראשון ואחרי מיזוג זה במשך שעה 1. הקווים הישרים הם ריבועים לפחות לינארית מתאימה לנתונים, השיפוע אשר עומד ביחס לרדיוס היעיל של הקצה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
נדפס מן Int. ג'יי Mass Spectrom., Vol. 379, מ 'Redshaw, et al., ייצור ואפיון של fiפליטת השדה נקודות לייצור יונים פנינג יישומים מלכודת, עמודים 187 - 193, כל הזכויות שמורות (2015), באישור Elsevier.

ההתניה של FEPs, מוסק מהנתונים שמוצגים באיור 9, עולה כי תהליך פליטת השדה יכול להפחית את הרדיוס האפקטיבי של קצה FEP. התנהגות זו נצפתה על ידי חוקרים אחרים ומיוחסת חימום של הקצה על ידי זרם האלקטרונים, המקרטעת על ידי אטומים ומולקולות גז רקע הוואקום כי הם מיונן על ידי קרן האלקטרונים מואצות לכיוון הקצה של FEP ^{16 , 17.} במנגנון שלנו, גז הרקע העיקרי (נקבע עם מנתח גז שיורית) היה H ₂ O, ואת מיני יון הנפוצים ביותר יוצר היה H ₃ O ⁺ (נקבע באמצעות תדר הציקלוטרון של יונים במלכודת פנינג ^14). חימום יכול לנקות סוף FEP וגם ליLT הקצה. התוצאות לטווח היתוך מתוך סידור מחדש של האטומים בשיא, אשר יכול לחדד את הקצה, כדי לייצר בועה מותכת של חומר בסוף הקצה, הקהיה זה. מקרטעת יכולה להסיר חומר מהקצה, ומכאן מחדדת אותו, והוא יכול גם לערוף את קצה FEP. שינויים מהותיים פליטת השדה הנוכחית לעתים קרובות נצפו במהלך תהליך המיזוג ו SEM תמונות של FEPs לאחר פליטת השדה הראו שינויים משמעותיים הגיאומטריה של הקצה, כוללים ההיווצרות של כתמים של מתכת מותכת בקצה, טיפים כפופים, וטיפים היה ערוף-לראות אל Redshaw et. לפרטים נוספים ^14.

תארנו נהלים פשוטים כדי לחרוט נקודות פליטת שדה חדות אלקטרוכימי (FEPs) בתמיסת NaOH, וכדי לבדוק את FEPs ידי ותפעולן במצב פליטת שדה. הליך התחריט תאר הוא וריאציה של טכניקות קיימות טכניקת ירידה- off lamella ^7,8 ואת ^9,10 טכניקת השכבה צף. עם זאת, מצאנו אותו להיות יותר נוח ואמין מאשר ליישם את השיטות הנ"ל.

לפני שתתחיל בהליך התחריט, כדי למזער את הסיכוי לייצר טיפים עם דפורמציות ברוטו, למשל, קצה מכופף, כפי שמוצגים באיור 2, מוט טונגסטן חייב להיות מתואם דרך חור הקתודה הנחושה כמו אנכי ככל האפשר. במהלך תחריט, השיעור לטפטף NaOH מן הארובה separatory יפוקח להבטיח כי רמת NaOH במאגר הקטן בצלחת קטודה נחושת נשארת כ קבועה. בסוף של וכוהינג הליך, הקצה התחתון יהיה להשיל, וזרם התחריט יהיה פחות בהרבה. זמן קצר לאחר-off ירידה זו, זרם התחריט צריך להיות כבוי לחלוטין, כדי למנוע הקהיה קצה על ידי תחריט המשיך. עם זאת, חלק תחריט / וברקת הקצה בשלב זה מועילה לייצור FEPs לשמש כמקורות אלומת אלקטרונים, מאז נראה כי בשלב ליטוש זה יכול להחליק את הקצה ולהסיר סדרים ^14. בשנת ההגדרה שלנו זמן חתוך של ~ 100 אלפיות שנייה לאחר הקצה התחתון נושר שמשה לייצר טיפים עם רדיוס של ~ 100 ננומטר. חוקרים אחרים השתמשו מבוסס טרנזיסטור מהיר מעגלי חתך כדי לעצור את תהליך האיכול קטן כמו 500 NSEC לאחר הנשירה של חלק התחתון של הקצה, וכתוצאה מכך טיפים עם רדיוס עד ~ 10 ננומטר לשמש יישומי STM ^12,15. כזה מעגל גם נבדק ההגדרה שלנו, ואיפשר טיפים עם <100 ננומטר רדיוס להיות מיוצר. עם זאת, מצאנו כי טיפים היו פחות מדיםt קצה ולא לבצע כל כך טוב במצב פליטת שדה כי, לדעתנו, את הטיפים הקטנים הפכו אותם ליותר רגישים להיות נמס ידי זרם אלומת אלקטרונים.

פליטת שדה יזמה החלת HV שלילית FEP, אשר הוגדל בהדרגה עד FEP ירה. המתח הנדרש ליזום פליטת שדה תלוי בגיאומטריה של הקצה, והיא בדרך כלל נמוך יותר עבור טיפים חדים ^14. בעוד ירי FEP בפעם הראשונה, HV צריך לא ייסרק מהר מדי (~ 250 V / sec) כדי למנוע עלייה חדה נוכחית פתאומית. אנחנו בדרך כלל שמרנו את הנוכחי אלומת אלקטרונים מתחת ל -1 מייקרו-אמפר כדי למנוע התכת הקצה. לאחר קצה ירה, אנו מותנים זה במשך שעה 1 על ידי המפעיל אותה במצב פליטת שדה עם זרם אלומת אלקטרונים של ~ 5 Na. מצאנו כי הליך זה עשה את הקצה יציב יותר, כלומר, HV נדרש כדי לייצר זרם אלומת אלקטרונים נתון (בדרך כלל 1 נה או פחות ביישום שלנו) נשאר קבוע למדי.

לסיכום, הצגנו טכניקה ישר קדימה לתחריט FEPs חדה אלקטרוכימי ממוטות טונגסטן. FEPs אלה הופעלו בהצלחה במצב פליטת שדה עם מתח הנעים בין כמה מאות וולט כמה kilovolts לייצר זרם הפליטה על סדר נה. טיפים FEP אלה גם יושמו יישום ספקטרומטריית פנינג מלכודת המונית ^14.

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.