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.

1. elektrochemisches Ätzen <ol><li> Versuchsaufbau <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Herstellung von Wolframstab <ol><li> Verwenden Sie Draht Clippers, die 0,5 mm Durchmesser Wolframstäbe in etwa 25 mm Länge geschnitten. </li><li> Reinigen der Stäbe in Aceton in einem Ultraschallbad für 15 min. </li><li> Spülen Sie die Stangen mit entsalztem Wasser. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Füllen Sie einen Trenntrichter mit der NaOH-Lösung. </li></ol></li><li> 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 &lt;strong&gt; 2 und unten) beschrieben, sollte aufgebaut werden. Hier setzen wir die Computersteuerung mit einer DAQ-Karte. <ol><li> Schließen Sie ein Amperemeter in Reihe mit der Gleichstromversorgung. </li><li> 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 &amp; OHgr; und R &amp; sub2 ; = 10 k &amp; OHgr;) . </li><li> 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) <img alt="Gleichung 19" src="/files/ftp_upload/54030/54030eq19.jpg" /> . whier die Spannung an R wird 1 überwacht. </li><li> 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.) </li><li> 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. </li><li> Wie in Abbildung 2 gezeigt, sorgen für die 5 - V - TTL - Signal oStift ein Relais den Stromfluss zu stoppen. </li></ol></li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54030/54030fig2.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="2"><li> Etching Verfahren <ol><li> Vorrichtung Vorbereitung <ol><li> 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. </li><li> Stellen Sie den Strom auf der Gleichstromversorgung auf den gewünschten Wert, typischerweise 200 mA. </li><li> Legen Sie eine Wolframstab in der Halterung und schließen Sie den positiven Anschluss der Gleichstromversorgung an der 4-40 Halteschraube mit einer Krokodilklemme. </li><li> Legen Sie die Wolframstab durch das Loch in der Kupferkathode, so dass etwa 12 mm von der Wolframstab durch das Loch. </li><li> Die negative Klemme der Stromversorgung mit der Kupferkathode mit einer anderen Krokodilklemme. </li></ol></li><li> Radierung <ol><li> 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. </li><li> Schalten Sie die Gleichstromversorgung zu bz.Beisp Ätzen. </li><li> 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. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. Charakterisierung von Feldemissions-Punkte <ol><li> Inspektion von Tipps <ol><li> 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. </li><li> Spülen mit Aceton und dann mit entsalztem Wasser. </li><li> 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. </li><li> Shop Tipps in einem Exsikkator. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54030/54030fig3.jpg" /> Abbildung 3. Optische Bild von FEP Spitzen. Bild von (a) eine gute Spitze und (b) eine schlechte Spitze, wie durch ein optisches Mikroskop betrachtet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="2"><li> Rasterelektronenmikroskop (SEM) Imaging <ol><li> 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. </li></ol></li> &lt;/ Ol&gt; <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54030/54030fig4.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig4large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/54030/54030fig5.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="3"><li><strong&gt; Feldemissions-Tests <ol><li> Gerät Hinweis: Für die Feldemissions die folgenden Tests oder ähnliche Anlagen erforderlich sind: ein 6-Wege-6 &quot;Conflat Flanschquerschnitte als eine Vakuumkammer zu dienen, drei 6&quot; bis 2 ¾ &quot;Conflat Flansch Länge Null-Adapter, eine SHV (Safe Hochspannung) Durchführung auf einem 2 ¾ &quot;Conflat Flansch, eine BNC-Durchführung auf einem 2 ¾&quot; Conflat Flansch, eine lineare Durchführung auf einem 2 ¾ &quot;Conflat Flansch, ein 6&quot; Conflat Flansch Fenster, ein 6 &quot;Conflat Flansch leer aus, ein Turbovakuumpumpe zu einem 6 &quot;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. <ol><li> 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. </li><li> Einrichtungsvorrichtung die Feldemission , wie in 5 gezeigt. Der Becher Faraday sollte etwa 2 cm von dem Ende des FEP sein. </li><li> 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. </li><li> Abpumpen der Set-up zu einem Druck von 10-6 mbar oder darunter. </li></ol></li><li> Feldemissions <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Anlage <ol><li> in Feldemissionsmodus bei 5 nA für 1 Stunde Erhaltung der Spitze durch den Betrieb. </li><li> Wiederholen Sie den aktuellen vs HV Scan von 2.3.2.2. </li></ol></li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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 beg...

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. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54030/54030fig1.jpg" /> Abbildung 1. Ätzvorrichtung. Fotografie des Versuchsapparatur für elektrochemische Ätzen von Wolframstäben verwendet mit NaOH - Lösung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54030/54030fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken</a>hier, 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<html> 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 <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/54030/54030eq9.jpg" /> In denen b = 6,83 eV - 3/2 V / nm,030eq11.jpg &quot;/&gt; ist die Austrittsarbeit von Wolfram ( <img alt="Gleichung 11" src="/files/ftp_upload/54030/54030eq11.jpg" /> ≈ 4,5 eV), k ist ein Faktor, der von der Geometrie abhängt (k ≈ 5) und <img alt="Gleichung 12" src="/files/ftp_upload/54030/54030eq15.jpg" /> ist der Korrekturterm Nordheim Bild ( <img alt="Gleichung 12" src="/files/ftp_upload/54030/54030eq15.jpg" /> ≈ 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.

<table><tbody><tr><td>Tungsten Rod 0.020&quot; x 12&quot;</td><td>ESPI Metals</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten&quot;&gt;http://www.espimetals.com/index.php/online-catalog/467-Tungsten&amp;nbsp;&lt;/a&gt;</td><td>3N8 Purity</td></tr><tr><td>50% by weight NaOH solution</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>415413-500ML</td><td>500 ml</td></tr><tr><td>Separatory funnel</td><td>Cole-Parmer</td><td>Item#&amp;nbsp;WU-34506-03</td><td>250 ml</td></tr><tr><td>DC Power supply</td><td>BK Precision</td><td>1672</td><td>Triple Output 0 - 32 V, 0 - 3 A DC Power Supply</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Cole-Parmer</td><td>Item#&amp;nbsp;WU-88000-68</td><td>500 ml</td></tr><tr><td>Data Acquisition Card</td><td>National Instruments</td><td>NI PXI-6221</td><td>16 AI, 24 DIO, 2 AO</td></tr><tr><td>Relay</td><td>Magnecraft</td><td>276 XAXH-5D</td><td>7 A, 30 V DC Reed Relay</td></tr><tr><td>6-way 6&quot; conflat flange cross</td><td>Kurt J Lesker</td><td>C6-0600</td><td></td></tr><tr><td>6&quot; to 2-3/4&quot; conflat zero length reducer flange&amp;nbsp; (x3)</td><td>Kurt J Lesker</td><td>RF600X275</td><td></td></tr><tr><td>2-3/4&quot; conflat flange SHV feedthrough</td><td>Kurt J Lesker</td><td>IFTSG041033</td><td></td></tr><tr><td>2-3/4&quot; conflat flange BNC feedthrough</td><td>Kurt J Lesker</td><td>IFTBG042033</td><td></td></tr><tr><td>2-3/4&quot; conflat flange linear feedthrough</td><td>MDC</td><td>660006, REF# BLM-275-2</td><td></td></tr><tr><td>6&quot; conflat flange blankoff</td><td>Kurt J Lesker</td><td>F0600X000N</td><td></td></tr><tr><td>6&quot; conflat flange window</td><td>Kurt J Lesker</td><td>VPZL-600</td><td></td></tr><tr><td>HV Power supply</td><td>Keithley Instruments</td><td>Keithley Model #2290-5</td><td>0 - 5 kV DC HV Power Supply</td></tr><tr><td>Picoammeter</td><td>Keithley Instruments</td><td>Keithley Model #6485</td><td></td></tr><tr><td>Faraday Cup</td><td>Beam Imaging Solutions</td><td>Model FC-1 Faraday Cup</td><td></td></tr></tbody></table>

electrochemical etching and characterization of sharp field emission points for electron impact ionization

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.

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, ...

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Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

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.

Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. ...

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Steady-State Transmission Lines and Power Flows

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9.5K Aufrufe.  Central Michigan University. 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.

Serie: Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Electron Channeling Contrast Imaging Rapid III-V heteroepitaktischen Charakterisierung

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Forschung

Ingenieurwesen

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomar Traceable Nanostrukturen

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.

The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.

Umfassende Charakterisierung von ausgedehnten Defekten in Halbleitermaterialien durch ein Rasterelektronenmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Eine neuartige Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Elektromechanische Charakterisierung von nanoskaligen Proben

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in lamellae exsolved from host mineral phases. Thus, the analysis of the orientation, size, morphology, composition and spacing of exsolution lamellae is an area of active research in the geosciences. The conventional study of these lamellae has been conducted by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and more recently with focused ion beam (FIB)-based nanotomography, yet with limited chemical information. Here, we explore the use of atom probe tomography (APT) for the nanoscale analysis of ilmenite exsolution lamellae in igneous titanomagnetite from ash deposits erupted from the active Soufri&#232;re Hills Volcano (Montserrat, British West Indies). APT allows the precise calculation of interlamellar spacings (14&#8211;29 &#177; 2 nm) and reveals smooth diffusion profiles with no sharp phase boundaries during the exchange of Fe and Ti/O between the exsolved lamellae and the host crystal. Our results suggest that this novel approach permits nanoscale measurements of lamellae composition and interlamellar spacing that may provide a means to estimate the lava dome temperatures necessary to model extrusion rates and lava dome failure, both of which play a key role in volcanic hazard mitigation efforts.

Analysis of the morphology, composition, and spacing of exsolution lamellae can provide essential information to understand geological processes related to volcanism and metamorphism. We present a novel application of APT for the characterization of such lamellae and compare this approach to the conventional use of electron microscopy and FIB-based nanotomography.

Atomsonde Tomographie Analyse von exsolved Mineral Phasen

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in ...

Umwelt

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries of the metal. Using this method, a crack free, thin-film macroelectrode surface with up to 40 times increase in active surface area was obtained. The roughening is easy to do in a standard electrochemical characterization laboratory and incudes the application of voltage pulses followed by extended application of a reductive voltage in a perchloric acid solution. The protocol includes the chemical and electrochemical preparation of both a macroscale (1.2 mm diameter) and microscale (20 &#181;m diameter) platinum disc electrode surface, roughening the electrode surface and characterizing the effects of surface roughening on electrode active surface area. This electrochemical characterization includes cyclic voltammetry and impedance spectroscopy and is demonstrated for both the macroelectrodes and the microelectrodes. Roughening increases electrode active surface area, decreases electrode impedance, increases platinum charge injection limits to those of titanium nitride electrodes of same geometry and improves substrates for adhesion of electrochemically deposited films.

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries. The electrochemical techniques of cyclic voltammetry and impedance spectroscopy are demonstrated to characterize these electrode surfaces.

ElektrochemischeS Schruppen von Dünnschicht-Platinmakro und Mikroelektroden

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries ...

Chemie

Sample Preparation and Experimental Design for In Situ Multi-Beam Transmission Electron Microscopy Irradiation Experiments

There is a need to understand materials exposed to overlapping extreme environments such as high temperature, radiation, or mechanical stress. When these stressors are combined there may be synergistic effects that enable unique microstructural evolution mechanisms to activate. Understanding of these mechanisms is necessary for the input and refinement of predictive models and critical for engineering of next generation materials. The basic physics and underlying mechanisms require advanced tools to be investigated. The in situ ion irradiation transmission electron microscope (I&#179;TEM) is designed to explore these principles.
To quantitatively probe the complex dynamic interactions in materials, careful preparation of samples and consideration of experimental design is required. Particular handling or preparation of samples can easily introduce damage or features that obfuscate the measurements. There is no one correct way to prepare a sample; however, many mistakes can be made. The most common errors and things to consider are highlighted within. The I&#179;TEM has many adjustable variables and a large potential experimental space, therefore it is best to design experiments with a specific scientific question or questions in mind.
Experiments have been performed on large number of sample geometries, material classes, and with many irradiation conditions. The following are a subset of examples that demonstrate unique in situ capabilities utilizing the I3TEM. Au nanoparticles prepared by drop casting have been used to investigate the effects of single ion strikes. Au thin films have been used in studies on the effects of multibeam irradiation on microstructure evolution. Zr films have been exposed to irradiation and mechanical tension to examine creep. Ag nanopillars were subjected to simultaneous high temperature, mechanical compression, and ion irradiation to study irradiation induced creep as well. These results impact fields including: structural materials, nuclear energy, energy storage, catalysis, and microelectronics in space environments.

Sample preparation techniques are outlined with specific considerations for in situ ion irradiation TEM experiments. Ion species, energy, and fluence are discussed with methods for how to select and compute them. Finally, procedures for conducting an experiment are described and accompanied by the representative results.

There is a need to understand materials exposed to overlapping extreme environments such as high temperature, radiation, or mechanical stress. When these ...

3D Depth Profile Reconstruction of Segregated Impurities Using Secondary Ion Mass Spectrometry

The presented protocol combines excellent detection limits (1 ppm to 1 ppb) using secondary ion mass spectrometry (SIMS) with reasonable spatial resolution (~1 &#181;m). Furthermore, it describes how to obtain realistic three-dimensional (3D) distributions of segregated impurities/dopants in solid state materials. Direct 3D depth profile reconstruction is often difficult to achieve due to SIMS-related measurement artifacts. Presented here is a method to identify and solve this challenge. Three major issues are discussed, including the i) nonuniformity of the detector being compensated by flat-field correction; ii) vacuum background contribution (parasitic oxygen counts from residual gases present in the analysis chamber) being estimated and subtracted; and iii)&#160;performance of all steps within a stable timespan of the primary ion source. Wet chemical etching is used to reveal the position and types of dislocation in a material, then the SIMS result is superimposed on images obtained via scanning electron microscopy (SEM). Thus, the position of agglomerated impurities can be related to the position of certain defects. The method is fast and does not require sophisticated sample preparation stage; however, it requires a high-quality, stable ion source, and the entire measurement must be performed quickly to avoid deterioration of the primary beam parameters.

The presented method describes how to identify and solve measurement artifacts related to secondary ion mass spectrometry as well as obtain realistic 3D distributions of impurities/dopants in solid state materials.

3D-Tiefenprofilrekonstruktion von segregierten Verunreinigungen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie

The presented protocol combines excellent detection limits (1 ppm to 1 ppb) using secondary ion mass spectrometry (SIMS) with reasonable spatial ...

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar energy and fuel generation, and electrochemical energy storage. Nanoscale characterization of such interfaces has recently been achieved using cryogenic electron microscopy, thereby providing a new path to advancing our fundamental understanding of interface processes.
This contribution provides a practical guide to mapping the structure and chemistry of solid-liquid interfaces in materials and devices using an integrated cryogenic electron microscopy approach. In this approach, we pair cryogenic sample preparation which allows stabilization of solid-liquid interfaces with cryogenic focused ion beam (cryo-FIB) milling to create cross-sections through these complex buried structures. Cryogenic scanning electron microscopy (cryo-SEM) techniques performed in a dual-beam FIB/SEM enable direct imaging as well as chemical mapping at the nanoscale. We discuss practical challenges, strategies to overcome them, as well as protocols for obtaining optimal results. While we focus in our discussion on interfaces in energy storage devices, the methods outlined are broadly applicable to a range of fields where solid-liquid interface play a key role.

Cryogenic Focused Ion Beam (FIB) and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques can provide key insights into the chemistry and morphology of intact solid-liquid interfaces. Methods for preparing high quality Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopic maps of such interfaces are detailed, with a focus on energy storage devices.

Nanoskalige Charakterisierung von Flüssig-Fest-Grenzflächen durch Kopplung von kryofokussiertem Ionenstrahlfräsen mit Rasterelektronenmikroskopie und Spektroskopie

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident high-energy electron beam is rocked with the submicrometric pivot point fixed on a specimen. This method enables us to quantitatively derive the site occupancies and site-dependent chemical information of impurities or intentionally doped functional elements in a specimen, using energy-dispersive X-ray spectroscopy and electron energy-loss spectroscopy attached to a scanning transmission electron microscope, which is of significant interest to current materials science, particularly related to nanotechnologies. This scheme is applicable to any combination of elements even when the conventional Rietveld analysis by X-ray or neutron diffraction occasionally fails to provide the desired results because of limited sample sizes and close scattering factors of neighboring elements in the periodic table. In this methodological article, we demonstrate the basic experimental procedure and analysis method of the present beam-rocking microanalysis.

We provide a general outline of quantitative microanalysis methods for estimating the site occupancies of impurities and their chemical states by taking advantage of electron-channeling phenomena under incident electron beam-rocking conditions, which reliably extract information from minority species, light elements, oxygen vacancies, and other point/line/planar defects.

Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

Zusammenfassung

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