УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩИХ ЭМИТТЕРОВ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА

Устройство относится к области научного приборостроения и может быть использовано для изготовления микроострийных проводящих зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа.
Известно устройство для изготовления тонких автоэлектронных эмиттеров [Фрейберг Г.Н. Изготовление тонких автоэлектронных эмиттеров // Приборы и техника эксперимента. - 1967. - №6.- С.176-178.], содержащее заготовку эмиттера, электрохимическую ячейку, регулируемый источник напряжения, блок автоматического выключения тока травления по скачку этого тока, соответствующего моменту перетравливания заготовки. Недостатком устройства является значительный диаметр перетравливаемой «шейки» заготовки в момент отрыва ее нижней части, а также малое число (небольшая вероятность получения) атомарных микровыступов на кончике эмиттера, обусловленные электрополировкой при кратковременном неполном выключении тока травления в момент перетравливания заготовки.
Известно устройство для получения зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа [Фиринг Дж., Эллис Ф. Изготовление игл для растровых туннельных микроскопов методом травления // Приборы для научных исследований. - 1990. - №12. - С.159-161.], содержащее заготовку иглы, регулируемый источник напряжения, электрохимическую ячейку, выполненную в виде капиллярного электрода из медной пластины с одним центральным отверстием для локального травления заготовки пленкой проточного электролита, формируемого с помощью соединенных прорезями с центральным - двух боковых отверстий, предназначенных соответственно для подачи свежего и приема отработанного электролитов. Недостатками устройства являются значительный диаметр перетравливаемой «шейки» заготовки в момент отрыва ее нижней части, а также малое число (небольшая вероятность
получения) атомарных микровыступов на кончике эмиттера, обусловленные электрополировкой при кратковременном неполном выключении тока травления в момент перетравливания заготовки.
2
4
2
Известен способ изготовления микроострий из металлической проволоки [А.с. №797440 СССР, МПК Н 01 J 1/30. Способ изготовления микроострий из металлической проволоки / А.Л.Суворов, С.В.Зайцев, А.Ф.Бобков.], включающий электрохимическое травление средней части проволочной заготовки в слое электролита и автоматическое прекращение травления при обрыве образующейся «шейки» под действием веса нижней части заготовки, при этом для уменьшения радиуса кривизны поверхности микроострия во время травления вдоль заготовки через ее среднюю часть (область формирования микроострия) пропускают электрический ток, плотность которого (регулируемая в пределах 10-10 А/мм) пропорциональна требуемой кривизне поверхности острия. Недостатком способа при изготовлении эмиттеров для сканирующего туннельного микроскопа являются значительный диаметр перетравливаемой «шейки» заготовки в момент отрыва ее нижней части, а также малое число (небольшая вероятность получения) атомарных микровыступов на кончике эмиттера, обусловленные электрополировкой при кратковременном неполном выключении тока травления в момент перетравливания заготовки.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для изготовления ступенчатых эмиттеров [Васильев С.И., Савинов С.В., Яминский И.В. Зондирующие эмиттеры для сканирующей туннельной микроскопии // Электронная промышленность. - 1991. - №3. - С.42-45.]. Устройство содержит заготовку с узлом крепления к блоку микрометрической подачи заготовки, электрохимическую ячейку, регулируемый источник напряжения, подсоединенный к блоку его автоматического выключения, содержащему резистор, первый и второй выводы которого подключены соответственно к регулируемому источнику напряжения и к отрицательному электроду электрохимической ячейки, компаратор, вход которого через блок дифференцирования
подсоединен к выводам резистора, а выход - к управляющему входу регулируемого источника напряжения. Блок микрометрической подачи заготовки, снабженный оптическим микроскопом, позволяет при электрохимическом травлении сформировать острие эмиттера в виде последовательности ступенек и обеспечить малый радиус острия при высокой механической жесткости эмиттера. Компаратор, снабженный дифференцирующей цепью, служит для отключения регулируемого источника напряжения по скачку тока травления в момент перетравливания заготовки. Недостатками устройства являются большая величина радиуса острия, а также малое число (небольшая вероятность получения) атомарных микровыступов на кончике эмиттера, обусловленные электрополировкой при кратковременном неполном выключении тока травления в момент перетравливания заготовки.
Задачей является уменьшение величины радиуса микроострия, а также увеличение числа (вероятности получения) атомарных микровыступов на кончике эмиттера.
Задача решается тем, что в известное устройство для изготовления зондирующих эмиттеров сканирующего туннельного микроскопа, содержащее основание, заготовку с узлом крепления к блоку микрометрической подачи заготовки, электрохимическую ячейку, регулируемый источник напряжения с блоком его автоматического выключения, оптический микроскоп, введены регулируемый источник тока, ванна с жидким контактом для подключения нижнего конца заготовки к положительному выводу регулируемого источника тока, отрицательный вывод которого через первый диод подсоединен к верхнему концу заготовки, электрохимическая ячейка выполнена в виде закрепленной на основании под небольшим углом к горизонтальной плоскости медной пластины с центральным и соединенными с ним прорезями - двумя боковыми отверстиями для пленки проточного электролита, центральная травимая часть заготовки размещена по оси центрального отверстия, одно боковое отверстие подключено соединительной трубкой к питающему резервуару с электролитом, а другое - к приемному резервуару для стока
электролита, между отрицательным выводом регулируемого источника напряжения и резистором включен второй диод, при этом блок автоматического выключения регулируемого источника напряжения содержит оптронную пару, оптическая ось которой пересекает траекторию маятникообразного движения нижней части заготовки относительно «шейки» непосредственно перед ее перетравливанием, фотоприемник оптронной пары соединен с входом формирователя импульса сигнализации движения нижней части заготовки, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого источника напряжения.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - стадии электрохимического травления ступеней эмиттера.
Устройство содержит заготовку 1 (фиг.1), размещенную по оси центрального отверстия (диаметром ~3 мм) с пленкой электролита 2 медной пластины 3 (толщиной ~1 мм), закрепленной на основании 4 под небольшим углом α (~10-30°) к горизонтальной плоскости. К двум боковым отверстиям (диаметром ~2 мм) пластины, соединенным прорезями (шириной ~0,5 мм) с центральным отверстием, подведены соответственно трубки 5, 6 (внутренним диаметром ~0,5 мм). Трубка 5 соединена с питающим резервуаром 7 для свежего электролита, а трубка 6 подсоединена к приемному резервуару 8 для стока отработанного электролита. Заготовка 1 закреплена на блоке 9 микрометрической подачи заготовки, снабженном оптическим микроскопом 10. Через жидкий контакт 11 ванны 12, расположенной на основании 4, к заготовке 1 подсоединен положительный вывод регулируемого источника напряжения 13, а к медной пластине 3 через диод 14 - его отрицательный вывод. Оптическая ось оптронной пары, содержащей источник света 15 и фотоприемник 16, пересекает траекторию маятникообразного колебательного движения нижней части заготовки 1 относительно «шейки» непосредственно перед ее перетравливанием. Фотоприемник 16 соединен с входом формирователя 17 импульса сигнализации движения нижней части заготовки 1 (реализованного, например, в виде компаратора с опорным напряжением на
уровне середины напряжения питания), выход которого подключен к управляющему входу регулируемого источника напряжения 13. Через жидкий контакт 11 к нижнему концу заготовки 1 также подключен положительный вывод регулируемого источника тока 18, отрицательный вывод которого через диод 19 подсоединен к верхнему концу заготовки.
Устройство работает следующим образом. Электрохимическое локальное травление проволочной заготовки 1 осуществляется в капиллярном электроде из медной пластины 3 в центральном ее отверстии (фиг.1) пленкой из проточного электролита, формируемого с помощью соединенных прорезями с центральным отверстием - двух боковых, предназначенных соответственно для подачи свежего и приема отработанного электролитов. Блок 9 микрометрической подачи заготовки, снабженный оптическим микроскопом 10, позволяет при электрохимическом травлении сформировать острие эмиттера в виде последовательности ступенек (фиг.2а-г). Непосредственно перед перетравливанием нижняя часть заготовки 1 под действием собственного веса начинает маятникообразное колебательное движение относительно «шейки» и пересекает оптическую ось оптронной пары 15, 16. При этом формирователь 17 вырабатывает импульс сигнализации движения нижней части заготовки 1, который поступает на управляющий вход регулируемого источника напряжения 13 и отключает его. Таким образом, непосредственное перетравливание заготовки 1 осуществляется химическим травлением, что позволяет исключить процесс электрополировки, осуществляемый в аналогах при кратковременном неполном отключении тока травления в момент перетравливания заготовки. Это дает возможность сохранить все атомарные микровыступы на кончике эмиттера и значительно увеличить разрешающую способность сканирующего туннельного микроскопа. Для уменьшения радиуса кривизны поверхности микроострия, во время травления вдоль заготовки 1 через ее среднюю часть (область формирования микроострия) пропускают электрический ток от регулируемого источника тока 18. Благодаря резкому повышению пластичности в области формирования острия при перетравливании
2
4
2
заготовки происходит вытягивание острия с меньшим радиусом кривизны, который можно регулировать изменением тока регулируемого источника тока 18. Плотность тока в сечении «шейки» заготовки 1 устанавливается в пределах 10-10 А/мм в момент отрыва заготовки и пропорциональна требуемой кривизне острия. Использование между жидким контактом и заготовкой регулируемого источника тока 18 вместо регулируемого источника напряжения, применяемого в известном устройстве [А.с. №797440 СССР, МПК Н 01 J 1/30. Способ изготовления микроострий из металлической проволоки / А.Л.Суворов, С.В.Зайцев, А.Ф.Бобков.], позволяет обеспечить лучшую воспроизводимость параметров микроострий изготавливаемых эмиттеров за счет поддержания тока неизменной величины через «шейку» заготовки в течение всего процесса изготовления эмиттера.