ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 5—20
УДК 621.3.032.269.1:621.455.4:541
ИСТОЧНИКИ ИОНОВ НА ОСНОВЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ, НАНОТЕХНОЛОГИИ И МИКРОЗОНДОВОГО АНАЛИЗА
(обзор)
© 2015 г. А. Б. Толстогузов*, **, С. Ф. Белых***, В. С. Гуров**, А. А. Лозован***, А. И. Таганов**, O. M. N. D. Teodoro*, А. А. Трубицын**, С. П. Ченакин****
* Centre for Physics and Technological Research, Dept. de Física da Faculdade de Ciencias e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa, Campus de Caparica
2829-516 Caparica, Portugal E-mail: a.tolstoguzov@fct.unl.pt ** Рязанский государственный радиотехнический университет Россия, 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1 ***"МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"
Россия, 109538, Москва, ул. Полбина, 4 **** Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАНУкраины Украина, 03680, Киев, б-р Академика Вернадского, 36 Поступила в редакцию 26.03.2014 г.
Дан аналитический обзор этапов развития и современного состояния разработок ионных источников с низкотемпературными ионными жидкостями для аэрокосмических и ионно-лучевых технологий. Обсуждаются свойства ионных жидкостей — новых ионно-проводящих материалов ("жидкая плазма или плазма в бутылке"). Подробно описываются режимы работы, конструкция и технология изготовления точечных, капиллярных, матричных и линейных источников ионов с ионными жидкостями. Проанализированы основные области их применения включая электростатические ракетные двигатели (микротрастеры) для спутников в формате CubeSat, системы с остросфокуси-рованными ионными пучками для технологической обработки материалов и структур в нанометро-вом диапазоне и для микрозондовых исследований.
DOI: 10.7868/S0032816215010115
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений
1. Введение
2. Ионные жидкости для ионных источников: основные свойства
3. Особенности работы ионных источников с ионными жидкостями
4. Основные области применения ионных источников с ионными жидкостями:
4.1. Электростатические ракетные двигатели
4.2. Нанотехнология и микрозондовый анализ
5. Заключение
Список литературы
Список сокращений
М.с.в.и. — масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS — Secondary Ion Mass Spectrometry)
И.ж. — низкотемпературная ионная жидкость (RTIL — Room Temperature Ionic Liquid)
И.и.и.ж. — ионный источник с ионной жидкостью (ILIS — Ionic Liquid Ion Source)
Ж.м.и.и. — жидкометаллический ионный источник (LMIS — Liquid Metal Ion Source)
FIB — сфокусированный ионный пучок (Focus Ion Beam)
1. ВВЕДЕНИЕ
Данный обзор посвящен ионным источникам (ионным пушкам), в которых в качестве рабочего вещества используются низкотемпературные ионные жидкости. Сразу отметим, что мы не рассматриваем здесь источники ионов, применяемые для анализа жидких аналитов в современных масс-спектрометрах, например, с экстракций ионов из растворов в электрическом поле. Наше внимание будет сосредоточено на принципах работы и особенностях конструкции ионных источников для миниатюрных электростатических ракетных двигателей (ионных микротрастеров), для технологической обработки материалов и струк-
тур в микро- и нанометровом диапазоне, а также для аналитических микрозондовых систем, в первую очередь, для масс-спектрометрии вторичных ионов (м.с.в.и., SIMS).
К ионным жидкостям, в широком смысле этого понятия, могут быть отнесены любые расплавы солей, например хлорид натрия при температуре выше 800°C. Среди обширного класса ионных жидкостей в настоящее время наибольший интерес представляют расплавы органических солей с температурой плавления ниже 100°C [1—3]. Далее под термином "ионные жидкости" мы будем подразумевать именно низкотемпературные ионные жидкости (и.ж., RTIL).
Как правило, в состав ионных жидкостей входит сложный объемный органический катион, а анион может быть как неорганическим, так и органическим. Варьирование катионов и анионов позволяет менять характеристики и.ж., такие как температура плавления, вязкость, электропроводность, смачиваемость и т.д. Вследствие своей ионной природы ионные жидкости обладают крайне низким давлением насыщающих паров, что позволяет использовать их даже в условиях сверхвысокого вакуума. И.ж. остаются жидкостями в широком температурном диапазоне и имеют высокую термическую стабильность. Они не воспламеняются и малотоксичны, многие из них инертны по отношению к воздуху и воде.
Сейчас известно более 5000 различных ионных жидкостей, синтез новых соединений успешно продолжается [4]. По-видимому, первое сообщение о жидкой при комнатной температуре соли, нитрате этиламмония [EtNH3]+[NO3]-, было опубликовано российским химиком П.И. Вальденом в 1914 г. [5]. В последние годы и.ж. приобрели большую популярность в области органического синтеза и металлокомплексного катализа; они считаются идеальными растворителями для "зеленой" химии, используются в электрохимических сенсорах, топливных элементах и аккумуляторах, при электроосаждении, очистке и электрополировке металлов. Детальное описание различных областей применения и.ж. можно найти в [6—9]. Насколько нам известно, в России ионными жидкостями в основном занимаются химики (см., например, страницу главного редактора в Журнале аналитической химии [10]), а вопросы разработки и применения ионных источников с ионными жидкостями (и.и.и.ж., ILIS) до сих пор не обсуждались в отечественной научной литературе.
С точки зрения конструкции и принципов работы наиболее близкими к ионным источникам с ионными жидкостями являются жидкометалли-ческие (электрогидродинамические) ионные источники (ж.м.и.и., LMIS) [11—13]. В этих источниках в качестве рабочих веществ используются металлы с низкой температурой плавления — гал-
лий, индий и цезий, а также эвтектические сплавы на основе золота, висмута, марганца и многих других металлов [14].
Эмиттером ионов в ж.м.и.и. служит небольшая часть поверхности жидкого металла (сплава), смачивающего и покрывающего тонким слоем металлическую иглу или выходное отверстие капилляра. Вытягивающий электрод создает вблизи эмиттера электрическое поле с напряженностью порядка 108 В/см, и ионы (атомарные и кластерные) с различной кратностью заряда вместе с нейтральными возбужденными атомами, а также нейтральными и положительно заряженными каплями жидкого металла испускаются с вершины конуса Тейлора—Гильберта (называемым также конусом Тейлора) — поверхности жидкого металла со сбалансированным в каждой точке действием электрического поля и поверхностного натяжения металла. Основным процессом, ответственным за эмиссионные явления в ж.м.и.и., принято считать полевое испарение. Детальное рассмотрение принципов и режимов работы жид-кометаллических ионных источников можно найти в [11, 12].
За счет высокой яркости (~106 А • см-2 • ср-1) и малого энергетического разброса (5-10 эВ) ж.м.и.и. позволяют получать остросфокусиро-ванные ионные пучки с диаметром менее 10 нм и плотностью тока до 30 А/см2 (при ускоряющем напряжении 20-30 кВ). Галлиевые жидкометал-лические источники ионов (Focused Ion Beam -FIB) [13, 15] широко применяются в ионной литографии, при прецизионной механической микрообработке (фрезеровке), изготовлении и ретушировании фото- и рентгеновских шаблонов, реактивном ионном травлении, в микроскопии и микроанализе методом масс-спектрометрии вторичных ионов. В Советском Союзе были разработаны различные жидкометаллические ионные источники для технологического и аналитического применения (см., например, [16-18]), в создании которых принимали участие и авторы данного обзора.
С конца 60-х годов ведутся работы по созданию ж.м.и.и. на основе индия и цезия для аэрокосмического применения. Первые испытания индиевого жидкометаллического ионного источника, разработанного в рамках совместного советско-австрийского проекта LOGION, были проведены в 1991 г. на космической станции МИР [19]. В дальнейшем ж.м.и.и., в основном с индием, использовались на различных космических станциях в качестве источников зондирующих пучков в ионных микроанализаторах (например, проект MIGMAS) и для компенсации электростатической зарядки поверхности космических аппаратов, возникающей под действием "солнечного ветра".
В настоящее время разработаны и готовы к испытаниям на околоземной орбите микротрастеры с металлическим цезием в качестве рабочего вещества [20]. В этих приборах ионы Cs+ под действием электростатического поля разгоняются до высоких скоростей и создают контролируемую силу тяги (thrust) в диапазоне микро- и милинью-тон. Основное назначение микротрастеров — прецизионная коррекция орбиты малоразмерных космических аппаратов весом 1—10 кг. В отечественной литературе микротрастеры попадают в группу электрических ракетных двигателей [21], а в англоязычной литературе их относят к Field Electric Emission Propulsion (FEEP) Systems [22].
Подобно жидким металлам ионные жидкости могут использоваться для создания ионных пучков, востребованных во всех вышеупомянутых областях. Кратко перечислим основные преимущества источников на ионных жидкостях по сравнению с источниками на жидких металлах. И.и.и.ж. способны генерировать пучки как положительно, так и отрицательно заряженных ионов с различной массой, в том числе в диапазоне выше 5000 а.е.м. Ж.м.и.и. принципиально не могут эмитировать отрицательные ионы, а масса даже очень тяжелых металлических кластерных ионов,
например Bi+, не превышает 1500 а.е.м. Тяжелые кластерные ионы как положительной, так и отрицательной полярности важны при м.с.в.и.-анали-зе сложных органических соединений, поскольку они позволяют сохранить молекулярную структуру анализируемых веществ [23].
Рабочее напряжение у и.и.и.ж. будет ниже, чем у ж.м.и.и. из-за более низкого поверхностного натяжения ионных жидкостей; также отпадает необходимость даже в минимальном нагреве ионных жидкостей, без которого нельзя обойтись в случае жидких металлов и сплавов. Эти преимущества особенно важны для микро-, нано- и пи-коспутников с ограниченными бортовыми ресурсами.
При локальном реактивном (химическом) ионном травлении (Chemically or Gas Assisted FIB Etching) [24, 25] в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.