Elettrochimica Acquaforte e caratterizzazione di punte acuminate campo di emissione per impatto elettronico di ionizzazione

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.

Punte taglienti o punti sono da tempo utilizzati in applicazioni di microscopia, come il microscopio campo di ioni (FIM) ¹ e il microscopio a effetto tunnel (STM) ^2, e una serie di tecniche per produrre punte taglienti di vari materiali sono stati sviluppati ^3. Questi suggerimenti taglienti possono anche essere utilizzati come punti di emissione di campo (FEP) applicando una tensione elevata a loro, e servono come fonte fascio elettronico conveniente. Un'applicazione di come sorgente è produzione di ioni tramite ionizzazione elettronica (EII). Il FEP è particolarmente vantaggioso in applicazioni dove fluttuazioni di temperatura prodotte da emettitori termici sono indesiderabili. Ad esempio, la produzione di ioni attraverso EII di gas di fondo o di vapore ad alta precisione Penning intrappola ^4,5.

Un metodo semplice per la fabbricazione FEP è per incidere elettrochimicamente aste di tungsteno in una soluzione di idrossido di sodio (NaOH). Questa tecnica è relativamente semplice da implementare conattrezzature modesto e ha dimostrato di essere molto riproducibile e affidabile. Un certo numero di metodi sono descritti in letteratura e miglioramenti a queste tecniche continuano ad apparire ^6. Qui si descrive un metodo per l'attacco elettrochimico di punte di tungsteno in una soluzione di NaOH. Il nostro metodo è una variante della lamella drop-off tecnica ^7,8 e il galleggiante tecnica strato ^9,10. Come questi due metodi consente la produzione di due punte da un unico procedimento di incisione. Una maschera dell'apparato sperimentale per l'incisione delle punte è mostrato in Figura 1.

Figura 1. Apparecchio Acquaforte. Fotografia della apparato sperimentale utilizzato per attacco elettrochimico di barre di tungsteno con una soluzione di NaOH. Si prega di fare clicqui per vedere una versione più grande di questa figura.

attacco elettrochimico del tungsteno nella base acquosa NaOH avviene tramite un processo a due stadi. Innanzitutto, ossidi di tungsteno intermedi sono formati, e in secondo luogo, questi ossidi sono non elettrochimicamente disciolti per formare l'anione tungstato solubile. Questo processo è descritto, in forma semplificata, le due reazioni

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

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

La corrente incisione e la soluzione molarità NaOH usato influenzano il tempo e la tensione necessaria per incidere attraverso l'asta di tungsteno. Gli studi di questi effetti sono presentati e discussi. Ancora più importante, i parametri di attacco hanno un effetto sulla geometria delle punte e, come tale, il loro funzionamento in modalità emissione di campo. La geometria del suggerimenti che abbiamo prodotto sono stati caratterizzati da loro l'imaging con un microscopio elettronico a scansione (SEM). Tali immagini possono essere utilizzate per stimare, per esempio, il raggio della punta. Inoltre, le punte sono gestiti in modalità emissione di campo applicando una tensione negativa di tipicamente qualche centinaio di volt a qualche kilovolt loro e monitorare la corrente di emissione di elettroni risultante. Il rapporto tra la corrente di emissione di campo, I, e applicata tensione di polarizzazione, V, può essere descritto dall'equazione Fowler-Nordheim ¹¹

(3) I = AV ² e ^{-Cr _eff / V,}

dove r _eff è il raggio effettivo della punta, A è una costante, e C è la seconda costante di Fowler-Nordheim , In cui b = 6,83 eV ^{- 3/2} V / nm,030eq11.jpg "/> è la funzione lavoro di tungsteno ( ≈ 4,5 eV), k è un fattore che dipende dalla geometria (k ≈ 5), e è il termine Nordheim correzione dell'immagine ( ≈ 1) ^12. Pertanto, il raggio effettivo della punta può essere determinata misurando la corrente di elettroni in funzione della tensione di polarizzazione. In particolare, esso può essere ottenuto dalla pendenza di una trama cosiddetto Fowler-Nordheim (FN) di ln (I / V ²⁾ vs 1 / V.

1. elettrochimica Acquaforte

1. Setup sperimentale
   1. apparato
      Nota: L'elettrochimica incisione set-up richiede uno standard di 0 - 30 V corrente continua (DC) di potenza da banco di alimentazione e gli appropriati cavi diretti, imbuto separatore, un ampio bicchiere di vetro di base e asta di serie e morsetto di servizio con impugnature isolanti elettricamente. saranno inoltre tenuti piccole viti, isolate di stand-off, e morsetti a coccodrillo. Ulteriori elementi, di seguito descritte e illustrate nella tabella dell'apparecchiatura di attacco di figura 1, deve essere fabbricate.
      1. Fare un supporto di asta di tungsteno da una lunghezza di circa 100 mm asta in alluminio del diametro di 6 mm. Eseguire un 0,5 mm di diametro 8 mm circa buco profondo nel centro, e fare un foro filettato per una vite 4-40 nel lato per tenere l'asta in posizione.
      2. Fare un contro-elettrodo da un x 30 mm x 3 mm piastra di rame circa 100 mm di spessore con uno di circa 75 mm x 20 mmx 1.5 mm di profondità serbatoio lavorato in esso, e un foro di 1,5 mm di diametro al centro. Attaccare di circa 15 mm lungo isolati distanziatori alla parte posteriore del contro-elettrodo.
      3. Fare un collettore FEP praticando un buco profondo 6 millimetri diametro di 8 mm in un blocco di rame di circa 75 x 20 x 20 mm.
   2. Preparazione dell'asta tungsteno
      1. Utilizzare tagliaunghie filo per tagliare i 0,5 mm di diametro aste di tungsteno in circa 25 lunghezze mm.
      2. Pulire le aste in acetone in un bagno ad ultrasuoni per 15 minuti.
      3. Risciacquare le aste con acqua deionizzata.
   3. soluzione di incisione
      Attenzione: soluzione di NaOH è un corrosivo alcali soluzione-NFPA 704 etichette: infiammabilità (0), salute (3), Instabilità / Reattività (0), Speciale (COR) -e possono causare ustioni chimiche se viene a contatto con la pelle o occhi. L'inalazione di fumi può causare irritazione e ustioni al tratto respiratorio. Quando si maneggia soluzione di NaOH, WEAr occhiali di protezione antispruzzo e visiera per proteggere gli occhi e guanti e un grembiule per proteggere la pelle. Eseguire la procedura di incisione in una cappa aspirante o indossare un respiratore. Si deve prestare attenzione durante l'esecuzione passo 1.1.3.1 per produrre la soluzione di NaOH diluita. Questo processo è altamente esotermica e può rilasciare calore che può provocare ustioni o infiammarsi infiammabili, e potrebbe causare la soluzione spruzzare fuori dal contenitore.
      1. Fare una soluzione 1,5 M di NaOH combinando 30 ml di 50% in peso soluzione di NaOH con 370 ml di acqua deionizzata per fare un volume totale di 400 ml.
      2. Riempire un imbuto separatore con la soluzione di NaOH.
   4. Circuito di Cut-off
      Nota: Se l'alimentazione DC deve essere azionato manualmente, quindi l'operatore si accende l'alimentazione fuori una volta che l'asta di tungsteno ha inciso tutto il percorso attraverso (vedi 1.2.2). In caso di funzionamento manuale, passare al punto 1.2. Per taglio automatico della tensione di alimentazione DC, il circuito di cut-off (mostrato in Figura 2 e descritto di seguito), dovrebbero essere costruite. Qui, implementiamo il controllo del computer tramite una scheda DAQ.
      1. Collegare un amperometro in serie con l'alimentatore DC.
      2. Collegare due resistenze, R ₁ e R ₂ in serie ed in parallelo con il tungsteno asta / controelettrodo incisione tappa del circuito. (Valori nominali per R ₁ e R ₂ sono R ₁ = 5 kΩ e R ₂ = 10 k.)
      3. Monitorare la tensione attraverso una delle resistenze con un convertitore analogico-digitale (ADC) ed adatto software di controllo del computer, ad esempio, LabVIEW. La tensione monitorato, V _mon, può essere correlata alla tensione attraverso entrambe le resistenze e quindi, la tensione ai capi della gamba di attacco, V _etch, tramite
         (4) ,
         wQui la tensione viene monitorato attraverso R _1.
      4. Collegare una resistenza bassa resistenza, R _L = 1 Ω, in serie nel circuito di incisione. Utilizzare un secondo canale sul ADC per registrare la tensione attraverso il resistore. La corrente di incisione viene poi trovato via i _Etch ≈ V _L / R _L. (Solo circa 1 mA scorre lanciare la gamba del monitor del circuito.)
      5. Nel software, creare un programma per emettere un segnale 5 V TTL dalla ingresso digitale / canale di uscita (DI / O) quando uno le tensione di attacco aumenta al di sopra di un set-valore, o l'incisione corrente scende al di sotto di un valore impostato, indicando che il asta di tungsteno ha inciso tutto il percorso attraverso. Questi valori dipendono dalla corrente incisione e NaOH soluzione molarity utilizzato e devono essere determinati con una corsa di prova dell'esperimento.
      6. Come mostrato in figura 2, organizzare il segnale 5 V TTL open un relè per interrompere il flusso di corrente.

Figura 2. Schema di incisione circuito. Un disegno schematico del circuito incisione utilizzato per fornire la corrente incisione continua costante. La corrente è determinata monitorando la tensione attraverso un resistore bassa resistenza e la tensione viene registrata monitorando la tensione ai capi di un resistore ad alta resistenza con un ADC. Un programma per elaboratore controlla la corrente e fornisce un segnale di 5 V in uscita ad un relè che apre il circuito di incisione una volta che la corrente scende al di sotto di un valore specificato. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. procedura Acquaforte
   1. preparazione apparato
      1. Impostare il apparatus come mostrato in figura 1, con il rame FEP blocco collettore posto all'interno della vasta bicchiere di vetro di base e il catodo di rame situata sopra di esso, distanziato fuori dal distanziatori isolanti.
      2. Impostare la corrente sul alimentatore DC al valore desiderato, tipicamente 200 mA.
      3. Inserire un'asta di tungsteno nel supporto e collegare il terminale positivo dell'alimentatore CC alla vite 4-40 tenuta con un coccodrillo.
      4. Inserire l'asta di tungsteno attraverso il foro nel catodo di rame in modo che circa 12 mm dell'asta tungsteno passa attraverso il foro.
      5. Collegare il terminale negativo dell'alimentazione al catodo di rame con un altro coccodrillo.
   2. acquaforte
      1. regolare manualmente la velocità di gocciolamento del imbuto separatore per abbinare il tasso di gocciolamento attraverso il foro, di circa 1 a goccia ogni 3 secondi. Attendere che il serbatoio del catodo di rame per diventare completo.
      2. Accendere l'alimentazione DC a bEGIN incisione.
      3. Se si opera in modalità manuale, spegnere l'alimentazione DC una volta che la parte inferiore della punta incide tutto il percorso attraverso e cade. Se si opera con un interruttore di spegnimento automatico, la corrente incisione sarà cut-off automaticamente una volta che l'asta incide attraverso.

2. Caratterizzazione dei punti di emissione Campo

1. Ispezione di consigli
   1. Rimuovere con attenzione la punta in basso dal blocco collettore con una pinza o pinzette. Rimuovere la punta superiore del supporto di asta di tungsteno allentando la vite 4-40 e tirando delicatamente la punta in alto con le pinze o pinzette.
   2. Risciacquare con acetone e poi con acqua deionizzata.
   3. Esaminare con un microscopio ottico. Consigli dovrebbero essere viste a cono ad una punta fine. Quelli che non, per esempio, perché sono piegati o non hanno una struttura a cono regolare, dovrebbe essere scartato. La figura 3 mostra un esempio di (un) Una buona mancia e (b) una punta piegata.
   4. suggerimenti Conservare in un essiccatore.

Figura 3. immagine ottica di consigli FEP. Immagine di (a) una buona mancia e (b) un cattivo suggerimento, come visto attraverso un microscopio ottico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Microscopio elettronico a scansione (SEM) Imaging
   1. Per SEM Imaging, suggerimenti FEP sicure a un titolare di conduzione mediante lo svolgimento di nastro o da loro avvitamento ad esso (ad esempio, vedere la Figura 4) e l'immagine in un SEM secondo il protocollo del produttore ad ingrandimenti di circa 1,800X e 37,000X per visualizzare il cono di la punta e l'estremità della punta, rispettivamente.


Figura 4. Supporto FEP per l'imaging SEM. Una foto di (a) la parte superiore e (b) il fondo del supporto utilizzato per proteggere FEP mentre l'imaging con il SEM. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura apparecchio di emissione 5. Field. Schematico dell'apparato utilizzato per applicare un HV alle FEP mentre sotto vuoto per produrre un fascio di elettroni. La corrente di fascio di elettroni viene monitorata sulla coppa di Faraday con un picoamperometro. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Test sul campo di emissione
   1. apparato
      Nota: Per l'emissione di campo verifica la seguente, o simili, è necessario equipaggiamento: una a 6 vie 6 "flangia Conflat croce per servire come una camera a vuoto, tre 6" per 2 ¾ adattatori di lunghezza "Conflat flangia a zero, un SHV (sicuro alta tensione) passante su un 2 ¾ "flangia Conflat, un passante BNC su un ¾ 2" flangia Conflat, un passante lineare su un ¾ 2 "flangia Conflat, un 6" finestra flangia Conflat, una flangia 6 "Conflat vuoto off, un pompa da vuoto turbo montato ad una flangia Conflat 6 ", ed una pompa di supporto (per esempio, una pompa di scorrimento) per il turbo. a alta tensione (HV) alimentatore in grado di erogare fino a -5 kV è necessaria per spingere il FEP, e un picoamperometro è necessaria per controllare la corrente di elettroni emesso dal FEP e raccolta su una tazza Faraday, si veda ad esempio, ^13. al posto di una tazza Faraday, una piastra di raccolta conduttrice semplice può essere utilizzato. a schematic della emissione di campo set-up è mostrato in Figura 5.
      1. Fare un secondo supporto di asta di tungsteno (vedi punto 1.1.1.1). Alla estremità opposta del supporto al FEP praticare un foro di diametro 1 mm e forare e toccare un foro nel lato della barra per una vite 4-40 per fissarlo al lato in depressione del passante SHV.
      2. Allestimento dell'apparato emissione di campo, come mostrato in Figura 5. La coppa Faraday dovrebbe essere di circa 2 cm dalla fine del FEP.
      3. Collegare l'alimentazione ad alta tensione per il passante SHV che il titolare FEP è collegata, e collegare il picoamperometro al passante BNC che la coppa di Faraday è collegata.
      4. Svuotamento il set-up ad una pressione di 10 ^{- 6} mbar o inferiore.
   2. emissione di campo
      1. Aumentare gradualmente la polarizzazione sul FEP e monitorare la corrente fascio elettronico sulla tazza Faraday con un picoamperometro. Quando inizia emissione di campo, una corrente viene osservatail picoamperometro.
      2. Aumentare la HV in passi incrementali (di circa 50 V) e registrare la corrente media del fascio di elettroni sullo picoamperometro ad ogni passo. (Questo processo può essere controllato da computer per esempio, da un programma LabVIEW se desiderato, o può essere fatto manualmente). Mantenere l'attuale fascio di elettroni inferiore a 1 μA.
   3. Condizionata
      1. Condizionare la punta operando in modalità emissione di campo a 5 nA per 1 ora.
      2. Ripetere l'attuale vs scansione HV di 2.3.2.2.

Studio dei parametri di incisione

Durante il processo di attacco l'alimentazione viene fatto funzionare in modalità a corrente costante. La tensione necessaria per mantenere questa costante corrente aumenta leggermente l'asta di tungsteno viene attaccato distanza (dovuto all'aumento della resistenza dell'asta). La corrente scende quasi a zero quando la punta incide fino in fondo. Una piccola corrente continua a fluire a causa del fatto che la punta superiore è ancora in contatto con la soluzione di attacco. Un appezzamento di corrente e tensione in funzione del tempo durante il processo di attacco è mostrato nella Figura 6.

Figura 6. corrente e tensione durante il processo di incisione. La tensione attuale e fornita dalla fonte di alimentazione durante il processo di incisione. Iltensione necessaria per mantenere la corrente aumenta costante leggermente durante il processo di attacco a causa dell'aumento della resistenza come l'asta di tungsteno incide distanza. Le barre di errore sui punti di dati di tensione, determinato come l'incertezza tipo nei dati di tensione media in 15 bidoni sec, anche aumentare di dimensioni durante il periodo di incisione a causa di fluttuazioni di tensione più grandi. La corrente scende quasi a zero quando l'asta di tungsteno incide tutto il percorso attraverso e la punta in basso scende. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Ristampato da Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, fabbricazione e caratterizzazione di punti di emissione di campo per la produzione di ioni nelle applicazioni trappola di Penning, pagine 187 -. 193, Copyright (2015), con il permesso di Elsevier.

Il temporichiesto per incidere attraverso l'asta di tungsteno dipende dalla corrente incisione utilizzato e la molarità della soluzione. Figura 7 (a) mostra il tempo necessario per incidere attraverso un'asta di diametro tungsteno 0,5 millimetri in funzione della corrente di incisione per tre diversi molarità NaOH soluzioni. Le velocità di attacco aumenta linearmente con la corrente. Legge di potenza misura del tempo di attacco in funzione della corrente dato esponenti di 1 per tutti i tre NaOH molarità della soluzione. Figura 7 (b) mostra che la tensione di attacco è linearmente proporzionale alla corrente e che la tensione richiesta per fornire la corrente diminuisce costanti all'aumentare molarità. Questo rapporto è da aspettarsi dalla legge di Ohm: il numero di portatori di carica disponibili nella soluzione, e quindi la conduttanza effettiva, è determinata dalla molarità della soluzione. La dipendenza del tempo di attacco, o velocità di attacco inversa, sulla corrente, come si vede nella Figura 7 (a) è previsto sulla base Eqn. (1). però, La figura 7 (a) mostra anche che, per basse impostazioni correnti di 100 mA, la velocità di attacco diminuisce all'aumentare molarità. Ciò può derivare dal potenziale più bassa necessaria per mantenere questa corrente per la soluzione ad alta molarità, poiché corrente incisione anche variare a seconda della potenzialità richiesta per azionare la reazione ^15.

Figura 7. tempo di attacco e la tensione vs corrente e molarità (a) Principale:. Tempo richiesto per incidere attraverso 0,5 mm tondini diametro tungsteno in funzione di incisione corrente NaOH soluzione molarità di 0,75, 1,5, e 3,0. (B) Nel riquadro:. Tensione media fornita dalla fonte di alimentazione costante-corrente durante il processo di incisione Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Ristampato da Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, fabbricazione e caratterizzazione di punti di emissione di campo per la produzione di ioni nelle applicazioni trappola di Penning, pagine 187 -. 193, Copyright (2015), con il permesso di Elsevier.

Immagini SEM:

Immagini SEM può essere utilizzato per rivelare la struttura della punta. La Figura 8 mostra immagini SEM di (a) superiore e (b) suggerimenti peggiori. In (i), le punte inferiori possono essere visti per avere un rapporto di formato più grande rispetto alle migliori consigli. Ciò è dovuto al fatto che alcuni soluzione di incisione corre lungo l'asta di tungsteno, di attacco o lucidare la superficie. Le immagini in (ii) e (iii) mostrano che le punte inferiori generalmente avere un angolo di cono acuta e in molti casi hanno una grande lampadina sulla punta, aumentando il raggio effettivo di curvatura. Le punte superiori invece generalmente conoa una punta fine.

Figura 8. SEM immagini di punte di emissione di campo. Immagini SEM di (a), top e (b) punte inferiori incise da un asta di diametro 0,5 millimetri di tungsteno con 0,75 M NaOH soluzione e 200 mA di corrente nominalmente incisione, mostrato con ingrandimenti di (I ) 35X, (ii) 1,800X, e (iii) 37,000X. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Ristampato da Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al, fabbricazione e caratterizzazione di punti di emissione di campo per la produzione di ioni nelle applicazioni trappola di Penning, pagine 187 -. 193, Copyright (2015), con il permesso di Elsevier.

La struttura lampadina visto sulle punte inferiori è stato osservato da altriricercatori, ad esempio, Ibe et al. ^15, ed è attribuito alla forza di rinculo sulla punta come fratture e il pezzo inferiore cade. In questo scenario, l'energia rilasciata durante la fratturazione può causare fusione locale, deformando la punta. Le punte superiori non mostrano una lampadina corrispondente. Noi attribuiamo questo al post-drop off periodo di incisione dopo le punte inferiori scende, ma prima che la corrente è completamente spento (la corrente diminuisce in modo significativo dopo la punta in basso cade, ma non andare completamente a zero in quanto la punta superiore è ancora in contatto con la soluzione di attacco).

Prove di emissione di campo:

Le FEP sono gestiti in modalità emissione di campo applicando una polarizzazione negativa tra alcune centinaia di volt e qualche kilovolt tra il FEP e la terra. Gli elettroni emissione di campo colpito una tazza di Faraday e la corrente eraregistrato. La corrente di emissione di campo in funzione della tensione di polarizzazione è stata studiata. Un appezzamento di ln (I / V ²⁾ vs 1 / V mostra una dipendenza lineare decrescente. Questa relazione è ben descritto dall'equazione Fowler-Nordheim. Usando questa equazione e la pendenza dei dati nel grafico di Fowler-Nordheim (FN), il raggio effettivo della punta può essere estratto. Queste misure erano coerenti con i risultati ottenuti dalle immagini SEM ^14. Le punte sono stati condizionati per ~ 1 ora facendoli funzionare in modalità emissione di campo con una corrente costante di ~ 5 nA. Trascorso questo tempo, la misura della corrente di emissione di campo vs tensione di polarizzazione è stato ripetuto. In generale, la posizione dei dati del terreno FN e la pendenza cambiati. Nella figura 9, si può notare che dopo il processo di condizionamento fuochi punta ad una tensione inferiore e l'inclinazione è diminuita. Questo indica che il raggio effettivo della punta è diminuita e quindi il campo elettrico necessario per REMOVe gli elettroni dalla punta possono essere raggiunti ad un potenziale di polarizzazione inferiore.

Figura 9. Fowler-Nordheim trama. Aree ln (I / V ²⁾ in funzione di 1 / V ottenuto dalla scansione della tensione di polarizzazione, V, applicata al FEP e registrando la corrente media emissione di campo, I, prodotta dalla mancia. I due set di dati corrispondono alle misurazioni effettuate dopo il FEP prima licenziato e dopo il condizionamento che per 1 ora. Le rette sono lineari dei minimi quadrati si adatta ai dati, la cui pendenza è proporzionale al raggio effettivo della punta. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Ristampato da Int. J. Mass Spectrom., Vol. 379, M. Redshaw, et al., Fabbricazione e caratterizzazione di fipunti di emissione ELD per la produzione di ioni di Penning applicazioni trappola, Pages 187-193, Copyright (2015), con il permesso di Elsevier.

Il condizionamento del FEP, dedotto dai dati mostrati in figura 9, suggerisce che il processo di emissione di campo può ridurre il raggio effettivo della punta del FEP. Questo comportamento è stato osservato da altri ricercatori ed è attribuita al riscaldamento della punta dalla corrente di elettroni, e sputtering da atomi e molecole nel gas di fondo del vuoto che sono ionizzato dal fascio di elettroni e accelerato verso la punta del FEP ^{16 , 17.} Nel nostro apparato, lo sfondo principale del gas (determinato con un analizzatore di gas residuo) è H ₂ O, e le specie ioniche più abbondanti prodotti sia H ₃ O ⁺ (determinato tramite la frequenza di ciclotrone di ioni in una trappola di Penning ^14). Il riscaldamento può pulire la fine del FEP e anche melt la punta. I risultati di intervallo di fusione da un riarrangiamento degli atomi all'apice, che può affilare la punta, di produrre un blob fuso del materiale al termine della punta, ottundimento stessa. Sputtering può rimuovere il materiale dalla punta, quindi affilatura, e può anche decapitazione punta del FEP. Cambiamenti significativi nella corrente di emissione di campo sono stati spesso osservati durante il processo di condizionamento e immagini SEM di FEP dopo emissione di campo hanno mostrato cambiamenti significativi nella geometria della punta, tra cui la formazione di macchie di metallo fuso sulla punta, punte piegate, e suggerimenti che era stato decapitato da vedere Redshaw et al. per ulteriori dettagli ^14.

Abbiamo descritto procedure semplici per incidere elettrochimicamente punti di emissione di campo taglienti (FEP) in una soluzione di NaOH, e per testare le FEP facendoli funzionare in modalità emissione di campo. La procedura descritta incisione è una variazione di tecniche-lamella drop-off tecnica ^7,8 e flottante tecnica strato ^9,10 esistenti. Tuttavia, abbiamo trovato che sia più conveniente e affidabile per attuare dei metodi di cui sopra.

Prima di avviare la procedura di incisione, per ridurre al minimo la probabilità di produrre punte con deformazioni macroscopiche, ad esempio, una estremità ricurva, come mostrato in figura 2, l'asta di tungsteno deve essere allineato con il foro nel catodo di rame più verticale possibile. Durante incisione, la frequenza di gocciolamento NaOH dal imbuto separatore deve essere monitorata per garantire che il livello di NaOH nel piccolo serbatoio nella piastra catodo di rame rimane approssimativamente costante. Alla fine del etcHing procedura, la punta in basso sarà drop off, e la corrente di incisione sarà notevolmente ridotto. Poco dopo drop-off, la corrente di incisione deve essere spento completamente per evitare di ottundimento la punta da incisione continuato. Tuttavia, alcuni etching / lucidatura della punta in questa fase è utile per la produzione di FEP da utilizzare come fonti fasci di elettroni, poiché è emerso che questa fase di lucidatura può lisciare la punta e rimuovere irregolarità ^14. Nel nostro set-up un tempo di cut-off di ~ 100 msec dopo la punta in basso cade è stato utilizzato per la produzione di punte con raggi di ~ 100 nm. Altri ricercatori hanno utilizzato circuiti cut-off a transistor veloci per arrestare il processo di attacco in appena 500 nsec dopo il drop-off della parte inferiore della punta, con conseguente punte con raggi fino a ~ 10 nm da utilizzare per applicazioni di STM ^12,15. Tale circuito è stato testato anche nel nostro set-up, e punte con <100 nm raggi da produrre abilitato. Tuttavia, abbiamo scoperto che questi suggerimenti sono stati meno uniforme di unt la punta e non ha eseguito così bene in modalità emissione di campo, perché, a nostro avviso, le punte più piccoli li ha resi più suscettibili di essere sciolto dalla corrente fascio di elettroni.

emissione di campo è stato avviato applicando un HV negativa al FEP, che è stata gradualmente aumentata fino alla FEP sparato. La tensione necessaria per avviare emissione di campo dipende dalla geometria della punta, ed è tipicamente inferiore per punte più nitide ^14. Mentre sparare il FEP per la prima volta, l'HV scansione eseguita troppo rapidamente (~ 250 V / sec) per evitare un picco di corrente improvvisa. In genere mantenuto la corrente del fascio elettronico di sotto di 1 μA per evitare la fusione della punta. Dopo che la punta aveva sparato, abbiamo condizionati per 1 ora operando in modalità emissione di campo con una corrente di fascio di elettroni di ~ 5 nA. Abbiamo trovato che questa procedura ha la punta più stabile, cioè, l'alta tensione necessaria per produrre una data corrente di fascio elettronico (tipicamente 1 nA o meno nella domanda) è rimasto pressoché costante.

In sintesi, abbiamo presentato una tecnica straight-forward per l'incisione elettrochimica FEP taglienti da barre di tungsteno. Queste FEP sono state operato con successo in modalità emissione di campo con tensioni da poche centinaia di volt a qualche kilovolt per produrre una corrente di emissione dell'ordine di nA. Questi suggerimenti FEP sono state anche attuate in Penning massa trappola applicazione spettrometria di ^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.