Elektrochemische Etsen en karakterisering van Sharp Field Emission Punten voor Electron Impact Ionisatie
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Scherpe punten of punten zijn lang gebruikt in microscopie toepassingen, zoals het veld ion microscoop (FIM) 1 en de scanning tunneling microscoop (STM) 2, en een scala van technieken voor het produceren van scherpe punten van diverse materialen ontwikkeld 3. Deze scherpe punten kunnen ook worden gebruikt als veld emissiepunten (FEPs) door het toepassen van een hoge spanning aan hen, en dienen als een handige elektronenbundel bron. Een toepassing van als bron ionproductie via elektroneninslag ionisatie (EII). De FEP is bijzonder voordelig in toepassingen waar temperatuurschommelingen door thermische emitters ongewenst. Bijvoorbeeld ion productie via EII van achtergrond gas of damp in hoge precisie Penning traps 4,5.
Een eenvoudige werkwijze voor het vervaardigen FEPs is elektrochemisch etsen wolfraam staven in een natriumhydroxide (NaOH). Deze techniek is relatief eenvoudig te implementeren metbescheiden apparatuur en is aangetoond dat het heel reproduceerbaar en betrouwbaar te zijn. Een aantal werkwijzen zijn beschreven in de literatuur en verbeteringen van deze technieken blijven verschijnen 6. Hier beschrijven we een werkwijze voor het elektrochemisch etsen van wolfraam tips in een NaOH oplossing. Onze methode is een variant van de lamellen drop-off techniek 7,8 en 9,10 drijflaag techniek. Zoals deze twee methoden het maakt de productie van twee uiteinden van een ets procedure. Een afbeelding van de experimentele inrichting voor het etsen van de uiteinden wordt weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Etsen apparaat. Foto van de experimentele apparatuur gebruikt voor elektrochemisch etsen van wolfraam staven met NaOH-oplossing. Klikhier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Elektrochemisch etsen van wolfraam in de waterige NaOH base gebeurt via een tweestapsproces. Eerst worden tussenproduct wolframoxiden gevormd, en anderzijds deze oxiden niet-elektrochemisch opgelost om de oplosbare wolframaat anion. Deze procedure wordt in vereenvoudigde vorm door de twee reacties
(1) W + 6OH – → WO 3 (S) + 3 H 2 O + 6e – en
(2) WO 3 (S) + 2OH – WO → 4 2- + H 2 O.
De etsen stroom en de NaOH-oplossing molariteit gebruikt van invloed op de tijd en de spanning die nodig is om te etsen door de wolframstaaf. Studies van deze effecten worden gepresenteerd en besproken. Belangrijker is dat de ets parameters hebben invloed op de geometrie van de uiteinden en als zodanig zijn werking in veldemissie modus. De geometrie van de tips we geproduceerd werden gekenmerkt door hun beeldvorming met een scanning elektronenmicroscoop (SEM). Deze beelden kunnen schatten, bijvoorbeeld de tandpuntreikwijdte. Bovendien zijn de tips in veldemissie modus bediend door een negatieve spanning van typisch een paar honderd volt tot enkele kilovolts hen en controleren van de verkregen elektronenemissie stroom. De relatie tussen veldemissie stroom I en toegepaste voorspanning V kan worden beschreven door het Fowler-Nordheim formule 11
(3) I = AV 2 e-CR eff / V,
waarbij r eff de effectieve straal van de punt, A een constante is en C de tweede Fowler-Nordheim constante 
Waarin b = 6,83 eV – 3/2 V / nm,030eq11.jpg "/> is het werk functie van wolfraam ( 
≈ 4,5 eV), k een factor die afhankelijk is van de geometrie (k ≈ 5), en 
is het Nordheim beeldcorrectie termijn ( ≈ 1) 12. Derhalve kan de effectieve straal van de punt worden bepaald door de elektronenstroom als functie van voorspanning. Specifiek, kan worden verkregen uit de helling van een zogenaamde Fowler-Nordheim (FN) grafiek van ln (I / V 2) versus 1 / V.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben eenvoudige procedures beschreven elektrochemisch etsen scherpe veld emissiepunten (FEPs) in een NaOH-oplossing, en de FEPs testen door te werken in veldemissie modus. De etsprocedure beschreven is een variatie van de huidige technologieën-de lamel drop-off techniek 7,8 en de drijflaag 9,10 techniek. Echter, we vonden het handiger en betrouwbaar te implementeren dan de eerder genoemde methoden te zijn.
Alvorens de etsprocedure de waarschijnlijkheid produceren …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| Tungsten Rod 0.020" x 12" | ESPI Metals | http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten | 3N8 Purity |
| NaOH salt | Cole-Parmer | Item # WU-88404-71 | 100 g |
| Separatory funnel | Cole-Parmer | Item# WU-34506-03 | 250 mL |
| DC Power supply | BK Precision | 1672 | Triple Output 0 – 32 V, 0 – 3 A DC Power Supply |
| Acetone | Cole-Parmer | Item# WU-88000-68 | 500 mL |
| Data Acquisition Card | National Instruments | NI PXI-6221 | 16 AI, 24 DIO, 2 AO |
| Relay | Magnecraft | 276 XAXH-5D | 7 A, 30 V DC Reed Relay |
| 6-way 6" conflat flange cross | Kurt J Lesker | C6-0600 | |
| 6" to 2-3/4" conflat zero length reducer flange (x3) | Kurt J Lesker | RF600X275 | |
| 2-3/4" conflat flange SHV feedthrough | Kurt J Lesker | IFTSG041033 | |
| 2-3/4" conflat flange BNC feedthrough | Kurt J Lesker | IFTBG042033 | |
| 2-3/4" conflat flange linear feedthrough | MDC | 660006, REF# BLM-275-2 | |
| 6" conflat flange blankoff | Kurt J Lesker | F0600X000N | |
| 6" conflat flange window | Kurt J Lesker | VPZL-600 | |
| HV Power supply | Keithley Instruments | Keithley Model #2290-5 | 0 – 5 kV DC HV Power Supply |
| Picoammeter | Keithley Instruments | Keithley Model #6485 | |
| Faraday Cup | Beam Imaging Solutions | Model FC-1 Faraday Cup |
References
- 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).
- Binnig, G., Rohrer, H. Scanning Tunneling Microscopy. Helv. Phys. Acta. 55, 726-735 (1982).
- Melmed, A. J. The art and science and other aspects of making sharp tips. J. Vac. Sci. Technol. B. 9, 601-608 (1990).
- 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).
- Van Dyck, R. S., 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lemke, H., Göddenhenrich, T., Bochem, H. P., Hartmann, U., Heiden, C. Improved microtips for scanning probe microscopy. Rev. Sci. Instrum. 61, 2538-2538 (1990).
- 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).
- Fowler, R. H., Nordheim, L. Electron Emission in Intense Electric Fields. Proc. R. Soc. Lond. A. , 119-173 (1928).
- 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).
- Brown, K. L., Tautfest, G. W. Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams. Rev. Sci. Instrum. 27, 696 (1956).
- 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).
- Ibe, J. P., et al. On the electrochemical etching of tips for scanning tunneling microscopy. J. Vac. Sci. Technol. A. 8, 3570 (1990).
- 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).
- 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).
