RU1776099C

RU1776099C - Method for producing microcrystals with microprotrusion

Info

Publication number: RU1776099C
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Власов; О.Л. Голубев; В.Н. Шредник
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: crystal growing. SUBSTANCE: method for producing microcrystals with microprotrusion includes orientation of crystal along crystallographic direction (III) and making it in form of point in this direction. Then, crystal is heated up to T_o lying in the interval of T₁ ≅ T_o ≅ T_n, where T_m is melting temperature and T₁ is temperature of beginning of surface self-diffusion of metal atoms. Applied to crystal is electric field and its intensity is increased (H) to appearance of microprotrusion in direction (III). Then, ion emission is observed during step reduction of electric intensity up to disappearance of microprojection satellites. Produced by this method is point of tungsten with rounding radius at top R=1.5 mcm. EFFECT: higher efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения микрокристаллов, а именно к выращиванию кристаллических микровыступов из металлов с объемноцентрированной кубической решеткой. The invention relates to methods for producing microcrystals, namely to growing crystalline microprotrusions from metals with a body-centered cubic lattice.

Получение металлических микрокристаллов с микровыступом с заранее заданными геометрическими и эмиссионными параметрами представляет значительный интерес. С одной стороны, такие кристаллы ценны как объект для научных исследований - для изучения процессов диффузии и самодиффузии, определения ряда параметров твердого тела. С другой стороны, очевидна возможность их практического использования в качестве эмиссионных катодов. Особый интерес к этим объектам испытывает такая бурно развивающаяся область, как сканирующая туннельная микроскопия, для которой одной из важнейших задач является получение чрезвычайно тонкого острия - зонда с, по возможности, несколькими или одним атомом на вершине. The preparation of metal microcrystals with a microprotrusion with predetermined geometric and emission parameters is of considerable interest. On the one hand, such crystals are valuable as an object for scientific research - for studying the processes of diffusion and self-diffusion, determining a number of parameters of a solid body. On the other hand, the possibility of their practical use as emission cathodes is obvious. Such rapidly developing area as scanning tunneling microscopy is of particular interest to these objects, for which one of the most important tasks is to obtain an extremely thin tip - a probe with, if possible, several or one atom on top.

Известен способ получения металлических микрокристаллов с микровыступами, в котором на вольфрамовом острие с радиусом закругления вершины R= (0,1-2) мкм в результате термополевой обработки выращиваются микровыступы. Процесс выращивания включает в себя нагрев острия до температуры Т_о= (1400-2800) К (Т_о<Т_пл) и создание у поверхности вершины острия электрического поля напряженностью, обеспечивающей появление микровыступов при данной температуре. Этот способ позволяет получать только микровыступы, неуравновешенные относительно действующих на поверхность сил электрического поля и поверхностного натяжения. Такие микровыступы неустойчивы: они возникают и исчезают, перемещаются и сливаются.A known method of producing metal microcrystals with microprotrusions, in which microprotrusions are grown on a tungsten tip with a radius of apex of a peak R = (0.1-2) microns as a result of thermal field treatment. The growing process includes heating the tip to a temperature T _o = (1400-2800) K (T _o <T _pl ) and creating an electric field near the surface of the tip of the tip with a voltage that ensures the appearance of microprotrusions at a given temperature. This method allows you to get only microprotrusion, unbalanced relative to the forces acting on the surface of the electric field and surface tension. Such microprotrusions are unstable: they arise and disappear, move and merge.

Целью изобретения является получение единственного стационарного микровыступа на вершине острия. The aim of the invention is to obtain a single stationary microprotrusion on top of the tip.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения микрокристаллов с микровыступом из металлов с объемноцентрированной кубической решеткой, включающем нагрев кристалла в виде острия до температуры Т_о, лежащей в интервале Т₁≅Т_о<Т_пл, где Т_пл - температура плавления, а Т₁ - температура, при которой начинается процесс поверхностной самодиффузии атомов металла, приложение к нему электрического поля напряженностью, обеспечивающей появление термополевого микровыступа, наблюдение ионной эмиссии с острия в полевом эмиссионном микроскопе, многоступенчатое снижение после появления микровыступа напряженности электрического поля с величиной ступени, не превышающей 3% от действующего значения напряженности, согласно формуле изобретения к острию, полученному из предварительно сориентированного вдоль кристаллографического направления <111> монокристалла, прикладывают электрическое поле напряженностью, обеспечивающей появление микровыступа в направлении <111>, ступенчатое снижение напряженности начинают после появления упомянутого микровыступа, а наблюдение ионной эмиссии при снижении напряженности ведут до исчезновения микровыступов - сателлитов.This goal is achieved by the fact that in the known method for producing microcrystals with microprotrusion of metals with a body-centered cubic lattice, including heating the crystal in the form of a tip to a temperature T _o lying in the range T ₁ ≅ T _o <T _PL , where T _PL is the melting temperature, and T ₁ is the temperature at which the process of surface self-diffusion of metal atoms begins, the application of an electric field to it with intensity, providing the appearance of a thermal field microprotrusion, observation of ion emission from the tip into the field emission microscope, a multistage decrease after the appearance of a microprotrusion of the electric field with a step value not exceeding 3% of the effective value of the intensity, according to the invention, an electric field is applied to the tip obtained from a single crystal previously oriented along the crystallographic direction <111> of the microcircuit, which provides the appearance of a microprotrusion in the direction <111>, a stepwise decrease in tension begins after the appearance of the mentioned microprotrusion, and observations ion emission while reducing the tensions lead to the disappearance of microprotrusions - satellites.

Существенным признаком способа является получение острия из предварительно сориентированного вдоль кристаллографического направления <111> металлического монокристалла с объемноцентрированной кубической решеткой. Это необходимо потому, что, как установлено авторами, вероятность роста уединенного стационарного микровыступа вдоль этого направления велика; кроме того, другие ближайшие области, где возможен такой рост (такие как {013}, { 114} ), находятся на значительном угловом расстоянии от этого направления. Кроме того, максимальная напряженность поля, получающаяся на вершине острия (в области грани {111}), способствует росту микровыступа именно в этом месте (т.е. строго на вершине острия). An essential feature of the method is the preparation of a tip from a metal single crystal with a body-centered cubic lattice previously oriented along the crystallographic direction <111>. This is necessary because, as established by the authors, the probability of growth of a solitary stationary microprotrusion along this direction is high; in addition, other nearby areas where such growth is possible (such as {013}, {114}) are at a considerable angular distance from this direction. In addition, the maximum field strength obtained at the tip of the tip (in the region of the {111} face) contributes to the growth of microprotrusion in this place (ie, strictly at the tip of the tip).

Однако при приложении электрического поля к острию, вначале, как правило, появляются микровыступы в других кристаллографических направлениях, поэтому существенным является увеличение напряженности поля до тех пор, пока не появится микровыступ именно в направлении <111>. После его появления необходимо снижение напряженности электрического поля для удаления микровыступов-сателлитов. Так как упомянутые микровыступы-сателлиты имеют, как было экспериментально установлено авторами, более острую форму, чем <111>-микровыступ, то при уменьшении напряженности поля, (на величину не превышающую 3% от действующего значения) для обоих типов микровыступов преобладание действующих на их поверхности сил электростатического поля над силами поверхностного натяжения заставит их заостриться вплоть до новых форм, ограниченных полевым испарением. Однако, при этом баланс сил изменится, т. е. разница между этими силами уменьшится, причем сильнее для более острых микровыступов-сателлитов. В результате повторения такого ступенчатого снижения напряженности электрического поля (на 3%) в конце концов возникает ситуация, когда для сателлитов баланс сил изменит знак, что приведет к резкому их исчезновению, а для <111>-микровыступа процесс заострения будет протекать по-прежнему. После удаления таким образом последовательно всех сателлитов, на острие останется только один <111>-микровыступ, расположенный строго на его вершине. (Величина шага снижения напряженности электрического поля не должна превышать 3% от действующего значения, т.к. снижение на большую величину приведет (на последнем этапе) к риску исчезновения <111>-микровыступа). However, when an electric field is applied to the tip, initially, as a rule, microprotrusions appear in other crystallographic directions, therefore, an increase in the field strength is significant until a microprotrusion appears in the direction <111>. After its appearance, it is necessary to reduce the electric field strength to remove micro-protrusions-satellites. Since the mentioned satellite microprotrusions have, as was experimentally established by the authors, a sharper shape than the <111> microprotrusion, with a decrease in the field strength (by an amount not exceeding 3% of the effective value) for both types of microprotrusion the surface of the forces of the electrostatic field above the forces of surface tension will cause them to sharpen up to new forms limited by field evaporation. However, in this case, the balance of forces will change, i.e., the difference between these forces will decrease, moreover, for sharper microprotrusions-satellites. As a result of the repetition of such a stepwise decrease in the electric field strength (by 3%), a situation finally arises when for the satellites the balance of forces will change sign, which will lead to their sharp disappearance, and for the <111> microprotrusion, the sharpening process will proceed as before. After removing all satellites sequentially in this way, only one <111> microprotrusion located strictly on its top will remain on the tip. (The step size for reducing the electric field should not exceed 3% of the effective value, since a decrease by a large amount will lead (at the last stage) to the risk of the disappearance of the <111> microprotrusion).

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

В качестве исходного объекта для выращивания микровыступа берут острие с радиусом закругления вершины R=(0,1-2) мкм, полученное путем электрохимического травления куска ориентированной вдоль направления <111> проволоки или штабика, вырезанного вдоль той же оси из предварительно сориентированного металлического монокристалла с объемноцентрированной кубической решеткой. Такое острие подвергают термополевой обработке следующим образом: устанавливают температуру Т_о острия из интервала Т₁≅Т_о<Т_пл, где Т₁ - температура, при которой начинается процесс поверхностной самодиффузии атомов металла, Т_пл - температура плавления металла, и создают у вершины острия такую напряженность F_o положительного электрического поля, которая обеспечивает появление термополевого микровыступа на вершине (в направлении<111>). Рост такого микровыступа обеспечивается за счет преобладания действующих на поверхностные атомы сил электрического поля над силами поверхностного натяжения. Следует отметить, что с ростом и обострением микровыступа происходит увеличение напряженности поля у его вершины; тем самым разность между действующими силами возрастает и скорость роста увеличивается. Однако, такой казалось бы неограниченный рост микровыступа в конце концов прекращается в результате включения при определенном поле F_исп механизма полевого испарения.As the initial object for growing a microprotrusion, a point with a tip radius of R = (0.1-2) μm is taken, obtained by electrochemical etching of a piece of wire or a rod oriented along the <111> direction, cut along the same axis from a pre-oriented metal single crystal with body-centered cubic lattice. This tip is subjected to thermal field treatment as follows: set the temperature T _{o of the} tip from the interval T ₁ ≅ T _o <T _PL , where T ₁ is the temperature at which the process of surface self-diffusion of metal atoms begins, T _PL is the melting temperature of the metal, and create at the top the tip has such a voltage F _{o of a} positive electric field, which ensures the appearance of a thermal field microprotrusion at the top (in the direction <111>). The growth of such a microprotrusion is ensured by the predominance of electric field forces acting on surface atoms over surface tension forces. It should be noted that with the growth and exacerbation of the microprotrusion, there is an increase in the field strength at its peak; thereby, the difference between the acting forces increases and the growth rate increases. However, this seemingly unlimited growth of the microscopic eventually stopped by switching at a certain field F _Spanish field evaporation mechanism.

Существенным моментом является то, что баланс действующих на поверхность сил электростатического поля и поверхностного натяжения неодинаков вдоль поверхности вершины острия из-за анизотропии коэффициентов поверхностной самодиффузии атомов и поверхностного натяжения. Вследствие этого одновременно с ростом микровыступа в направлении <111> наблюдается появление микровыступов-сателлитов в областях граней {013}, {114}. Следует подчеркнуть, что поведение этих микровыступов-сателлитов во времени носит хаотический характер: они могут возникать, исчезать, перемещаться в пределах областей указанных граней. Причем, как было экспериментально установлено, сателлиты имеют более острую форму (большую кривизну или меньший радиус закругления вершины), чем<111> -микровыступ. An essential point is that the balance of the forces of the electrostatic field and surface tension acting on the surface is not the same along the tip apex due to the anisotropy of the surface self-diffusion coefficients of atoms and surface tension. As a result of this, simultaneously with the growth of the microprotrusion in the direction <111>, the appearance of microprotrusion satellites in the regions of the {013}, {114} faces is observed. It should be emphasized that the behavior of these micro-protrusions-satellites in time is chaotic in nature: they can arise, disappear, and move within the regions of the indicated faces. Moreover, as was experimentally established, the satellites have a sharper shape (greater curvature or a smaller radius of curvature of the vertex) than the <111> microprotrusion.

Если теперь несколько уменьшить действующее значение напряженности поля, то для обоих типов микровыступов преобладание сил электростатического поля над силами поверхностного натяжения заставит их заостриться вплоть до новых форм, ограниченных полевым испарением; при этом разница между действующими силами уменьшится. Повторяя ступенчатое снижение напряженности электрического поля, мы в конце концов придем к ситуации, когда для сателлитов баланс сил изменит знак, что приведет к резкому их исчезновению, а для <111> -микровыступа процесс заострения будет протекать по-прежнему. Удалив таким образом последовательно все сателлиты, мы оставим только один <111> -микровыступ, расположенный строго на вершине острия. If we now slightly reduce the effective value of the field strength, then for both types of microprotrusions, the predominance of the forces of the electrostatic field over the forces of surface tension will make them sharpen up to new forms limited by field evaporation; the difference between the acting forces will decrease. By repeating a stepwise decrease in the electric field strength, we will finally come to a situation where for the satellites the balance of forces will change sign, which will lead to their sharp disappearance, and for the <111> microprotrusion, the sharpening process will continue. Having thus removed all satellites in this way, we will leave only one <111> -microprotrusion located strictly on top of the tip.

П р и м е р. Предлагаемый способ был реализован в полевом эмиссионном микроскопе с микроканальным усилителем эмиссионного изображения. Вольфрамовое острие изготавливалось путем электрохимического травления параллелепипеда (размером 0,7х0,7х18 мм), вырезанного из массивного монокристалла таким образом, что перпендикулярная основанию ось совпадала с направлением <111>, как показано на фиг.1. В результате травления заготовки было получено острие с радиусом закругления вершины R=1,5 мкм. Оно подвергалось термополевой обработке при Т=1700 К и U=15000 В, что соответствовало напряженности электрического поля F=β˙U=3,8˙10⁷ B/см, где β- полевой множитель, определяемый из наклона характеристик Фаулера-Нордгейма. Через 3 мин после начала обработки на экране полевого эмиссионного микроскопа появились десорбционные изображения микроскопов в ионах вольфрама. На фиг.2 представлено полевое электронное изображение ориентированного вдоль оси <111> острия с <111>-микровыступом в центре и тремя сателлитами. После снижения напряженности электрического поля на величину 0,1˙10⁷ В/см (что не превышает 3% от действующего значения) один из трех микровыступов-сателлитов исчез, что хорошо видно на полевом электронном изображении на фиг.3. Еще три аналогичных шага снижения напряженности поля привели к полному удалению микровыступов-сателлитов с острия, а в центре остался единственный стационарный микровыступ в направлении вдоль оси,<111> , как видно из фиг.4. Таким образом, из рассмотренного примера видно, что предлагаемый способ позволяет получить единственный стационарный микровыступ на вершине острия.PRI me R. The proposed method was implemented in a field emission microscope with a microchannel amplifier for emission images. A tungsten tip was made by electrochemical etching of a parallelepiped (0.7 x 0.7 x 18 mm in size) cut from a massive single crystal so that the axis perpendicular to the base coincided with the direction <111>, as shown in Fig. 1. As a result of etching the workpiece, a tip was obtained with a radius of curvature of the tip R = 1.5 μm. It was subjected to thermal field treatment at T = 1700 K and U = 15000 V, which corresponded to the electric field strength F = β˙U = 3.8˙10 ⁷ B / cm, where β is the field factor determined from the slope of the Fowler-Nordheim characteristics. 3 minutes after the start of treatment, desorption images of microscopes in tungsten ions appeared on the screen of a field emission microscope. Figure 2 presents a field electronic image of a tip oriented along the <111> axis with a <111> microprotrusion in the center and three satellites. After reducing the electric field by 0.1 × 10 ⁷ V / cm (which does not exceed 3% of the effective value), one of the three micro-protrusions of the satellites disappeared, which is clearly visible in the field electronic image in Fig. 3. Three more similar steps to reduce the field strength led to the complete removal of the satellite microprotrusions from the tip, and the only stationary microprotrusion remained in the center in the direction along the axis, <111>, as can be seen from Fig. 4. Thus, it can be seen from the example considered that the proposed method allows to obtain a single stationary microprotrusion at the top of the tip.

Claims

METHOD FOR PRODUCING MICRO CRYSTALS WITH A MICROPRESS from metals with a body-centered cubic lattice, including heating a crystal in the form of a tip to a temperature T ₀ lying in the range T ₁ ≅ T ₀ <T _p _l , where T _p _l is the melting temperature and T ₁ is the onset temperature surface self-diffusion of metal atoms, the application of an electric field to the crystal and an increase in its intensity before the appearance of a thermofield microprotrusion, observation of ion emission from a tip in a field emission microscope, and a multistage decrease in the electric field fields with a step value not exceeding 3% of the actual intensity value, characterized in that, in order to obtain a single stationary microprotrusion at the tip of the tip, the crystal is preliminarily oriented along the crystallographic direction <III>, and the ion emission is monitored with decreasing tension until disappearance micro-protrusions-satellites.