Сергей Зайцев - Микроострия. Свойства, изготовление, применение

© Сергей Зайцев, 2017

ISBN 978-5-4485-9953-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Изложена и систематизирована информация о микроостриях: их особых свойствах, методах изготовления и областях применения. Показана их высокая эффективность в научных исследованиях, нанотехнологиях, микроэлектронике. Отмечено, что область применения микроострий быстро расширяется, и, соответственно, возрастают требования к качеству их изготовления.

Для специалистов—экспериментаторов в области нанотехнологий, микроэлектроники, исследований тонкой структуры вещества.

Если у вас плохо идут дела, то стоит подумать: «А не применить ли мне микроострия?».

Summary

The information on microneedles is stated and systematized: their unique qualities, methods of manufacturing and scopes. Conclusion on their high efficiency in scientific researches, nanotechnology and microelectronics is derived. It is noted, that the scope of applications of microneedles is quickly expanding, and requirements to the quality of their manufacturing are increasing accordingly.

For experts-experimenters in the field of nanotechnology, microelectronics, thin structure of substance research.

Одной из главных тенденций современной техники является миниатюризация, которая в последнее десятилетие привела к качественному скачку – возникновению нанотехнологий. Благодаря этому техника в ближайшие годы должна выйти на новую, гораздо более высокую, ступень развития. Особое значение имеет данная тенденция в радиационной технике, так как способствует повышению радиационной стойкости (масштабный эффект здесь заключается в увеличении радиационной стойкости металлических материалов при уменьшении их размеров) и снижению интегральной активности деталей, подвергаемых облучению.

В настоящее время микроострия (обычно под микроостриями подразумевают острия с радиусом при вершине меньше 1мкм) являются эффективными инструментами исследователей и основными элементами многих уникальных технических устройств. Благодаря своим особым свойствам они находят все более широкое применение в различных областях техники, биологии, медицине и научных исследованиях. Они являются наиболее простыми и широко используемыми инструментами для работы в «микро и нано-мире». При этом форма их не обязательно коническая, а может быть самой различной в зависимости от выполняемой ими функции. Следует отметить, что без высококачественных микроострий многие современные сложнейшие и дорогостоящие нанотехнологические и научные приборы работать не могут. Это атомные зонды, различного рода туннельные микроскопы, масс-спектрометры с полевой ионизацией, высокоразрешающие электронные и ионные микроскопы, все приборы с автоэлектронными источниками и т. д.

Чтобы удовлетворить все возрастающим требованиям к качеству микроострий необходимо постоянно совершенствовать методы их изготовления. Многочисленная информация о микроостриях, их свойствах, методах изготовления, внутренней структуре и использовании разбросана в самых различных литературных источниках. Ежегодно в ведущих научно-технических изданиях появляется не менее нескольких десятков статей, посвященных этому вопросу. Сфера их применения постоянно расширяется. В то же время решения, найденные в одной из областей их применения, часто могут быть с успехом использованы и в других. Поэтому представляется важным произвести анализ и обобщение вопросов, связанных с изготовлением и применением микроострий, как в научно-исследовательской, так и прикладной областях.

Микроострия из электропроводных материалов обладают способностью концентрировать электрические поля. Подавая на них высокий электрический потенциал, удается получить напряженность электрического поля Е до 10 11 В/м (хотя и только в микрообъемах вблизи от вершины микроострия). При удалении от вершины Е быстро спадает, приблизительно следуя закономерности: (острие и экран аппроксимировались конфокальными пароболоидами [1,2]) Е = U/ [кLn (2R/r)], где r – удвоенное фокусное расстояние параболоида; U – приложенное электрическое напряжение; R – расстояние от вершины до экрана; к – коэффициент, зависящий от геометрии установки ≈5÷10. Уменьшая радиус микроострия до 30÷50 нм, или приближая его к противоположному электроду, можно получить Е≈10 9 В/м уже при напряжении U <100 В.

Высокое электрическое поле у поверхности приводит к проявлению ряда интересных физических эффектов. Одним из наиболее важных с практической точки зрения является автоэлектронная (холодная) эмиссия. Механизм явления состоит в туннельном проникновении электронов из металла в вакуум через потенциальный барьер, который снижается и сужается сильным электрическим полем у вершины микроострия до такой степени, что вероятность проникновения электронов через него достигает заметных величин. Плотность автоэлектронного тока j зависит от величины работы выхода электронов материала поверхности & и напряженности электрического поля. Формула, полученная Фаулером и Нордгеймом [3], хорошо согласуется с экспериментом:

j = 1.54·10 —6 {E 2/ [& t 2(y)} exp {-6,83·10 7 & 2/3υ (y) /F},

где y = 3.79·10 —4 (√E) /&, функции υ (y) и t (y) табулированы.

При достаточно высоком положительном потенциале на микроострие начинается ионизация атомов окружающего газа у его поверхности. Таким образом, оно становится эффективным точечным ионным источником. Так, ионизация атомов гелия начинается при напряженности поля у поверхности равной 4,5·10 10 В/м [4].

Третьим важнейшим эффектом, связанным с концентрированием электрического поля, является испарение атомов материала микроострия в достаточно сильном электрическом поле в виде ионов. Именно этот процесс и ограничивает возможности по увеличению напряженности поля у поверхности выше ≈10 11 В/м, так как при интенсивном испарении атомов радиус при вершине увеличивается и, соответственно, напряженность снижается. Теория этого явления изложена в [5]. Имеются два подхода к его объяснению. Модель сил изображения рассматривает полевое испарение как удаление металлического иона заряда n через барьер, возникающий при суперпозиции потенциальной энергии -neFx, создаваемой приложенным полем F на расстоянии x от поверхности и потенциальной энергии изображения (ne) 2/4x. Для энергии активации Q nполевого испарения поверхностного атома в виде n – кратного иона получается выражение: Q n= Q 0– (ne) 3/2F ½, (•)

где Q 0 – энергия, требуемая для удаления поверхностного атома в виде n – кратного иона на бесконечность в отсутствие поля.