способ изготовления зондирующего эмиттера для туннельной микроскопии

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО ЭМИТТЕРА ДЛЯ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ путем электролитического травления проволочной заготовки при ее вертикальной ориентации, отличающийся тем, что предварительно утоненную заготовку подвергают воздействию газового разряда с энерговыделением 10^-3 - 10^-5 Дж до возникновения на вершине острия плавленного шарика на утоненном столбике, затем дотравливают заготовку регулируемым числом коротких импульсов до отпадания шарика от столбика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эмиссионной электронике и предназначено главным образом для изготовления микроострий-зондов для туннельных микроскопов, а также точечных автоэлектронных источников и образцов для автоэмиссионной микроскопии.

В результате создания в 1981 г. сканирующего туннельного микроскопа было открыто новое направление в микроскопии. Достигнуто разрешение, которое составляет доли ангстрема. Одним из факторов, ограничивающих снизу величину этой разрешающей способности, является степень механической жесткости зондирующего острия.

В первых конструкциях микроскопов требования к виброизоляции были так высоки, что приходилось помещать их в ванну с ртутью. В дальнейшем были разработаны усовершенствования, которые несколько снизили эти требования. Так, в частности, предложено повышать устойчивость острия за счет его укорочения при сохранении малого радиуса вершины.

Разработано много методов изготовления зондирующих острий: механические, эмиссионные, ионного травления и т.д. Но наибольшее распространение вследствие своей простоты и надежности получили методы электрохимического травления. Так, известны способы изготовления микроострий путем электрохимического травления (авт. св. СССР N 1438510 и 1428095), которые позволяют управлять формой получаемого острия за счет наложения на основной ток травления дополнительных импульсов отрицательной полярности с частотой 20 1000 Гц. Эти способы позволяют в определенных пределах управлять формой получаемого острия. Однако, если длина острия меньше 500 мкм, то за ним практически невозможно уследить в процессе изготовления.

Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявляемому является способ изготовления микроострий (Васильева С.И. и др. Зондирующие эмиттеры для сканирующей туннельной микроскопии. Электронная промышленность. N 3, 1991, с. 42 45). Способ заключается в электрохимическом травлении проволочной заготовки в электролите. Получение эмиттеров с малым радиусом при вершине в сочетании с высокой механической жесткостью достигается за счет ступенчатого травления заготовки при постоянном наблюдении ее в световой микроскоп. Специальный электронный блок обеспечивает отключение травления по скачку тока, передаваемому дифференцирующей цепочкой на вход компаратора в момент обрыва кончика заготовки. В результате получают острие ступенчатой формы с отношением диаметра основания к высоте 1 1 и радиусом при вершине 200 500 .

Недостатки этого способа следующие. Процедура травления требует большого опыта и сноровки, так как необходимо вытравить отваливающийся кусок вполне определенного размера, который находится на пределе разрешающей способности светового микроскопа. Способ требует сложного оборудования и его предварительной точной настройки. Ступенчатая форма острия с острыми круговыми выступами приводит к паразитной эмиссии при наличии высокой напряженности электрического поля.

Цель изобретения упрощение процесса и получение микроострий с гладкой поверхностью.

Цель достигается тем за счет того, что на вершине острия после предварительного травления создают шарик (с помощью электрического разряда), а затем дотравливают короткими импульсами до момента отпадения шарика.

Сравнение заявленного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

Пооперационно способ осуществляется следующим образом. Получают острие обычным методом элекролитического травления. Создают у вершины острия в инертной атмосфере электрический разряд с энерговыделением 10^-3- 10^-5 Дж. При этом на вершине образуется шарик. Производят дотравливание острия короткими импульсами до момента отпадения шарика. У основания шарика травление происходит с относительно большой скоростью (это зависит от формы заготовки) и заготовка приобретает вид, показанный на фиг. 1. После отпадения шарика на вершине острия остается столбик на порядок меньшего диаметра, чем острие.

Предлагаемый способ позволяет существенно упростить процесс изготовления зонда и отказаться от использования специфического и высокочувствительного оборудования. Отпадает необходимость в его предварительной настройке перед каждым актом изготовления зонда.

Тот факт, что при изготовлении по предлагаемому способу отсутствуют кольцевые острые выступы на зонде, позволяет снизить паразитную эмиссию при наличии высокой напряженности электрического поля. Поэтому полученный зонд возможно использовать не только в туннельном микроскопе, но и в автоэлектронном, автоионном, а также как автоэмиссионный источник заряженных частиц.

П р и м е р. Способ опробован при изготовлении эмиттеров из вольфрамовой проволоки. На фиг. 1 показана форма заготовки после разряда и нескольких импульсов тока травления. Видно, что вблизи шарика на заготовке начинает образовываться "шейка". В результате ее обрыва при травлении одиночными короткими импульсами образуется "столбик" на конце острия. Радиус этого столбика приблизительно можно предсказать из условия равенства веса шарика прочности столбика:

r 2 где R радиус шарика;

удельный вес заготовки;

"теоретическая" прочность заготовки (для вольфрама 2000 кг/мм).

Из формулы видно, что можно получить столбик с диаметром в несколько межатомных расстояний. На фиг. 2а,б показано изображение в автоионном микроскопе вершины такого столбика. За счет использования испаряющих высоковольтных импульсов на кончик столбика выведен единичный атом (фиг. 2б в середине). Это является необходимым условием максимальной разрешающей способности туннельного микроскопа. При этом переход от относительно толстого острия к столбику является гладким. Концентраторы электрического поля отсутствуют.

Кроме своего основного назначения предлагаемый способ может быть использован и для изготовления импульсных эмиттеров заряженных частиц. Обрыв утолщения на вершине автоэмиттера позволяет получить импульс ионов с большой крутизной фронта. По авт. св.СССР N 1045777 сферическое утолщение на вершине автоэмиттера получают прогревом в вакууме при 1100^оС в течение 3 мин. Очевидно, что по предлагаемому способу получать такие автоэмиттеры проще и быстрее. При этом процесс травления нужно прекратить тогда, когда шейка достигнет требуемого диаметра.