DE3783766T2 - Atto-amperemessgeraet. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Amperemeter, die zum Messen von Strömen in der Größenordnung von 10&supmin;¹&sup8; A geeignet sind. Es gibt sowohl in der wissenschaftlichen Welt als auch bei industriellen Anwendungen einen eindeutigen Bedarf, Ströme im Attoamperebereich zu messen. Mit der ständigen Erhöhung der Mikrominiaturisierung elektronischer Schaltkreise wurden die in diesen Geräten fließenden Ströme notwendigerweise immer kleiner und haben nun die Empfindlichkeit der dem Stand der Technik entsprechenden Strommeßeinrichtungen erreicht.
• Mit herkömmlichen analogen Stromzählern sind die meßbaren Ströme infolge des endlichen Widerstandes, auf dem diese Instrumente beruhen, auf einige 10&supmin;¹³ A begrenzt. Je kleiner außerdem die zu messenden Ströme sind, umso länger werden die Meßzeiten, und lange Meßzeiten wiederum begünstigen Störungen aus verschiedenen Quellen, die das Ergebnis der Messung beeinträchtigen.
• Beispiele für herkömmliche Stromzähler zur Messung sehr kleiner Ströme sind das Galvanometer und das Elektrometer. Das Galvanometer nutzt die magnetische Wirkung, die ein elektrischer Strom erzeugt, wenn er durch einen Leiter fließt. Diese Wirkung zeigt sich als ein Drehmoment, das zwischen dem Leiter und einem Magneten ausgeübt wird. Eine Beobachtung erfolgt oft durch einen Lichtstrahl, der von einem an dem sich bewegenden Teil angebrachten Spiegel reflektiert wird. Für sehr kleine Ströme liegt die erzeugte Kraft in der Größenordnung der Systemreibung, so daß keine zuverlässigen Ergebnisse erzielt werden können.
• Ein Elektroineter mißt die Spannung über einen sehr großen Widerstand, einen Shunt. Zum Beispiel wird in einem Vakuumröhrenelektrometer der Strom durch einen Widerstand von 10¹&sup0; Ω oder größer geleitet und dann der Spannungsabfall durch diesen Widerstand verstärkt. Das Problem hierbei ist das Wärmerauschen, das nicht in ausreichendem Maße beseitigt werden kann.
• Darum ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Gerät zur Messung sehr kleiner elektrischer Ströme vorzuschlagen, welches nicht die Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Meßtechnik aufweist. Das Amperemeter der vorliegen den Erfindung ist auf der Grundlage der Umwandlung der niedrigen Geräteströme in freie Elektronen konstruiert, die mit einer Empfindlichkeit gezählt werden können, die mindestens drei Größenordnungen größer als die Empfindlichkeit herkömmlicher Einrichtungen ist und sich die hohe Geschwindigkeit heutiger Zählelektronik zunutze macht.
• Zum Zwecke dieser Beschreibung soll sich die Bezeichnung "freie Elektronen" auf Elektronen beziehen, die nicht dadurch eingeschränkt sind, daß sie in der unmittelbaren Nachbarschaft eines Atomkerns oder eines Atoms zurückblieben, sondern die Austrittsarbeit ihres Wirtsmaterials überwinden und in den freien Raum eines eingeschlossenen Vakuums eintreten können.
• Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Attoamperemeter, das Mittel zum Umwandeln eines zu messenden und durch einen Probenleiter fließenden Elektronenstromes in freie Elektronen enthält, wobei dieses Attoamperemeter durch eine scharfspitzige Spitze gekennzeichnet ist, die einem Elektronendetektor gegenüber liegt, wobei diese Spitze über den Probenleiter an eine erste Quelle eines Potentials (U&sub1;) anschließbar ist, damit es von seinem ursprünglich schwebenden Potential zu einem zweiten Potential (U&sub2;) aufgeladen wird, wobei die Differenz des ersten Potentials (U&sub1;) abzüglich des Spannungsabfalls (ΔU), der durch den Probenleiter auftritt, das zweite Potential (U&sub2;) bestimmt, wobei zusammen mit der Emissionskennlinie der Spitze die Anzahl der freien Elektronen, die von der Spitze emittiert werden, durch den Elektronendetektor verstärkt und durch einen elektronischen Zähler gezählt werden, der mit dem Ausgang des Elektronendetektors verbunden ist, wobei die Zählung des elektronischer Zählers ein Maß für den zu inessenden und durch den Probenleiter fließenden Strom ist.
• Einzelheiten zweier Ausführungsformen der Erfindung werden hiernach mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen als Beispiel beschrieben, in denen:
• Fig. 1 ein schematisches Schaubild ist, welches die Grundbestandteile eines Attoamperemeters in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ein schematisches Schaubild eines Attoamperemeters ist, welches ein Tunnelmikroskop verwendet.
• In Fig. 1 ist eine ultra-scharfe Spitze 1 in Flucht mit einer Öffnung 2 in einer Elektroden 3 angeordnet. Ein Elektronendetektor 4 ist ebenfalls auf die Spitze 1 und die Öffnung 2 ausgerichtet. Die Spitze 1 kann zum Beispiel aus einem sehr scharfspitzige Wolfram-Whisker bestehen, der an seinem Scheitel in einem Einzelatom endet. Die Spitze 1 kann als Feldemissionsspitze betrieben werden oder nicht. Sie kann ebenfalls in einem Tunnelmodus arbeiten. Der Elektronendetektor 4 kann zum Beispiel die Form eines herkömmlichen Kanal-Elektronenvervielfachers annehmen. Spitze 1, Elektrode 3 und Elektronendetektor (Kanal- Elektronenvervielfacher) 4 sind innerhalb eines Behälters 5 in ultrahohem Vakuum angeordnet, wobei alle geeignete Durchführungen 6, 7 und 8 für ihre Verbindung mit der elektronischen Schaltung außerhalb des Behälters 5 aufweisen.
• Der Elektronenvervielfacher 4 kann von herkömmlicher Bauart sein, wie der handelsübliche Kanaltron, oder aus einem Leuchtschirm mit nachgeschaltetem Photovervielfacher bestehen. Gewöhnlich wird eine konusförmige Eintrittsöffnung 9 mit einer geraden oder gekrümmten Röhre 10 verbunden, deren innere Wand mit einem hinreichend widerstandsfähigen und sekundäremittierenden Material, wie z. B. einer Halbleiterschicht, beschichtet ist. Zwischen den Enden des Kanals wird ein Potential von mehreren tausend Volt angelegt.
• In einem Kanalelektronenvervielfacher in Betrieb veranlaßt ein Elektroneneinfall auf die innere Oberfläche der Röhre 10 die Emission von mindestens einem Sekundärelektron. Dieses Sekundärelektron wird durch das elektrostatische Feld innerhalb der Röhre 10 beschleunigt, bis es auf die innere Oberfläche davon auftrifft. Wenn man annimmt, daß es genügend Energie aus dem Feld gespeichert hat, wird dieses Elektron wiederum veranlassen, daß mehr als ein Sekundärelektron freigesetzt wird. Nachdem dieser Vorgang 10 bis 20 mal auftrat, wird er zu einer Verstärkung von etwa 10&sup4; führen. Falls die Röhre 10 geeignet gekrümmt ist, kann sogar eine Verstärkung von mehr als 10&sup8; erreicht werden. Mit anderen Worten, jedes auftreffende Elektron wird veranlassen, daß ein Impuls von 10 Elektronen an dem Ausgang des Kanalelektronenvervielfachers 4 erscheint, wobei der Impuls eine Pulsdauer von ungefähr 20 ns hat.
• Der Ausgangspuls des Kanalelektronenvervielfachers wird am anderen Ende der Röhre 10 erhalten. Abhängig von der speziellen Bauart des verwendeten Vervielfachers, kann das Signal entweder an einer Metallkappe, die direkt an dem Ausgangsende des Vervielfachers befestigt ist, oder an einer Metallscheibe, die in einem geringen Abstand von dem hinteren Ende des Vervielfachers angeordnet ist, gesammelt werden. In Fig. 1 wird die letztere Bauart gezeigt. Eine Hochspannungsstromzuführung 11 wird über die Durchführung 8 mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden, welches einen ersten Widerstand R&sub1;, der die Betriebsspannung in den Kanalelektronenvervielfacher einspeist, und einen zweiten Widerstand R&sub2;, der eine Vorspannung an die Platte 12 am Ende des Vervielfachers liefert, enthält. Ein elektronischer Impulszähler 13 wird mit der Platte 12 über einen Kondensator C verbunden, der zum Trennen der Hochspannung von dem Zähler dient, wobei eine Durchführung 14 passiert wird.
• Geeignete Werte für die Widerstände R&sub1; und R&sub2; und den Kondensator C können wie folgt bestimmt werden: der Widerstand R&sub1; befindet sich in Reihe mit dem Kanalelektronenvervielfacher 4, und zusammen wirken sie als ein Spannungsteiler. Der Widerstand R&sub1; sollte so gewählt werden, daß der Spannungsabfall durch ihn ungefähr 100 V beträgt. Somit wird eine Potentialdifferenz von 100 V zwischen dem Ende des Kanalelektronenvervielfachers und der Anodenplatte 12 hervorgerufen, um die Elektronen außerhalb des Vervielfachers zu der Anode hin zu beschleunigen, wo sie gesammelt werden.
• Falls ein abgeschirmtes Koaxialkabel zum Übertragen der Impulse vom Vakuumbehälter 5 zum Impulszähler 13 verwendet wird, sollte die Impedanz des Kondensators C, verglichen mit dem Leitungswellenwiderstand des Kabels, niedrig gewählt werden, so daß der Kondensator C als ein kleiner Widerstand in Reihe mit dem Kabel wirken kann und die durch den Zähler 13 empfangene Spannung nicht ernsthaft verringert. Der Kondensator sollte einen Übertragungsfrequenzgang aufweisen, der einen Durchgang einzelner Impulse zum Impulszähler 13 ohne größere Verzerrung gestattet. Allgemein sollte der Kondensator C so dimensioniert sein, daß er Frequenzen durchleiten kann, die mindestens zehnmal größer als die maximal erwartete Zählrate sind.
• Als Beispiel sei eine maximale Zählrate von 0,5 MHz und ein Koaxialkabel von 50 Ω angenommen, dabei würde die Impedanz xc des Kondensators C bei 2 Ω ausreichend klein sein und der Kondensator sollte in der Lage sein, Zählraten von 5 MHz zu verarbeiten. Mit xc = 1/(2πfC) findet man den Wert für C mit 0,006 uF.
• Der Widerstand R&sub2; ist zur Signallast parallel. Falls R&sub2; sehr groß gewählt wird, wird die RC-Zeitkonstante des Netzwerks groß sein und der Elektronenfluß durch R&sub2; wird stark eingeschränkt. Bei einigen hohen Zählraten kann das Potential an Platte 12 nicht ausreichen, um die Elektronen von Ausgang des Kanalelektronenvervielfachers anzuziehen. In der Regel sollte der Widerstand R&sub2; für zuverlässigen Betrieb einen Wert zwischen 1 kΩ und 1 MΩ aufweisen.
• Weiterhin wird in Fig. 1 die Spitze 1, verbunden mit einem Heizfaden 15 gezeigt, der ein Beheizen der Spitze 1 für Reinigungs- und Schärfungsvorgänge gestattet. Der Heizfaden 15, und mit ihm die Spitze 1, ist mit einem Schalter 16 verbunden, der ein Schalten der Spitze 1 zwischen Erdpotential und Ausgangsklemme der zu messenden Baugruppe 17 gestattet. Die Baugruppe 17 wiederum wird mit einer bekannten Spannungsquelle 18 verbunden, die das Potential U&sub1; einspeist.
• Zur Eichung der Spitze 1, d. h. zur Bestimmung ihrer I-V-Kennlinie, wird der Schalter 16 in Stellung c gebracht, ein einstellbares Eichpotential Ucal von bis zu -200 V wird an die Elektrode 3 angelegt und, falls ein Kanalelektronenvervielfacher gewählt wurde, wird eine Kanalspannung von etwa 3,5 kV an die geeignete Klemme vom Elektronenvervielfacher 4 angelegt.
• Nun kann die Kennlinie des Attoamperemeters bestimmt werden, um die beobachteten Zählraten, d. h. die Zahl der in den Elektronenvervielfacher 4 eintretenden Elektronen, dem an Elektrode 3 angelegten Potential Ucal zuzuordnen.
• Mit dem danach in Stellung in gebrachten Schalter 16 kann die Messung ausgeführt werden. Das Potential U&sub1; der Spannungsquelle 18 wird zwischen Erde und Klemme 19 der Baugruppe 17 angelegt, dabei wird die Baugruppe 17 bis zu dem Potential U&sub1; geladen, bis die Elektronen anfangen, die Spitze 1 zu verlassen. Diese freien Elektronen müssen die Baugruppe 17 durchströmen und verursachen somit dort einen Spannungsabfall ΔU. Ihre Anzahl ist ein Maß für den Strom durch Baugruppe 17.
• Der für die Umwandlung von Elektronen, die durch die Baugruppe 17 fließen und am Scheitel der Spitze 1 erscheinen, in freie Elektronen verantwortliche Mechanismus ist als Feldemission bekannt. Die Leitungselektronen in der Metallspitze 1 sind durch die Oberflächenpotentialschwelle, deren Form durch das Potential innerhalb der Spitze bestimmt ist, die Bildkraft und das angelegte äußere Feld begrenzt. Elektronen können durch die Oberflächenpotentialschwelle durchtunneln, wenn das äußere Feld ausreichend stark ist. Dies ist offensichtlich dort der Fall, wo, wie in der beschriebenen Anordnung, des elektrische Feld zwischen der scharfspitzigen Spitze 1 und der Zählerelektrode 3 besteht.
• Das Attoamperemeter der vorliegende Erfindung kann besser aus einem Paar nützlicher Parameter verstanden werden. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, sollte die Spitze 1 so scharf wie möglich gemacht werden. Zum Beispiel könnte der Scheitel der Spitze aus einem Einzelatom bestehen. Eine Technik zum Herstellen einatomiger Spitzen wurde von H. W. Fink in IBM Journ. of Research & Development, Band 30, Nr. 5, Sept. 1986, S. 460-465, beschrieben. Kurz, ein Einzelatom wird aus der Gasphase auf einem Atomtrimer an dem Scheitel einer pyramidalen (111)-orientierten Wolfram-Spitze abgelagert. Mit der in einem Abstand von etwa einem Millimeter von der Elektrode 3 befestigten Spitze und einem Potential von 100 . . . 200 V an dieser Elektrode für Eichzwecke, wird sich eine elektrische Feldstärke in der Größenordnung von 2·10&sup7; V/cm ergeben. Abhängig von dem aktuellen Wert des Potentials an der Elektrode 3 werden zwischen 1 und 106 Elektronen pro Sekunde die Spitze 1 verlassen und durch das Loch in Elektrode 3 beschleunigt werden, um zum Detektor 4 zu fliegen. In speziellen Fällen kann die Zählrate so gering sein, daß sie ein Elektron in fünf Sekunden beträgt. Aber bei derartig geringen Zählraten können die Einflüsse verschiedener Rauschquellen wieder eine Problem werden, wie z. B. kosmische Strahlung, Photonen oder γ-Quanten.
• Für Spitzen mit eine Radius von weniger als 5 nm sollte der Strom niemals 10 uA bei einer Spannung von 200 V überschreiten, damit die Spitze nicht zu schmelzen beginnt.
• Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Attoamperemeters in Übereinstimmung mit der Erfindung. Der Probenkörper 20, durch welchen der Strom zu messen ist, wird zwischen einer Tunnelspitze 21 und einem Elektronenvervielfacher 22 angeordnet. Der Probenkörper 20 trägt eine Feidemissionsspitze 23 an seiner dem Vervielfacher 22 gegenüberliegenden Seite, wie in Fig. 2 gezeigt. Ein Potential U&sub1; wird von einer Spannungsquelle 28 an die Tunnelspitze 21 angelegt. Mit dem Probenkörper 20 in Durchtunnelungsabstand, d. h. weniger als 1 nm von der Tunnelspitze 21 entfernt, wird ein Durchtunnelungsstrom fließen, der den Probenkörper 20 von seinem ursprünglich schwebenden Potential zum Potential U&sub1; lädt, bis die Elektronen anfangen, von der Feldemissionsspitze 23 emittiert zu werden und in den Konus 24 des Vervielfachers 22 eintreten.
• Der Fluß der Elektronen durch den Probenkörper 20 veranlaßt das Potential an der Feldemissionsspitze 23, ein Potential U&sub2; = U&sub1;-ΔU anzunehmen, wobei ΔU der Spannungsabfall durch den Probenkörper 20 ist. Die freien Elektronen, die in den Vervielfacher 22 eintreten, werden, wie oben beschrieben, verstärkt und durch einen elektronischen Zähler 25 gezählt. Eine Rückkopplungseinheit 26 gestattet die Eichung der Feldemissionsspitze 23, indem sie den Abstand zwischen der Tunnelspitze 21 und der Oberfläche des Probenkörpers 20 in Übereinstimmung mit vorher bestimmten Zählraten verändert. Dieser Abstand kann durch ein herkömmliches piezoelektrisches Element 27 gesteuert werden.
• Die Eichung des Attoamperemeters von Fig. 2 wird durchgeführt, indem eine variable Eichspannung Vcal an die Feldemissionsspitze 23 mittels eines Schalters 29 angelegt wird, um die I-V-Kennlinie der Spitze/Vervielfacher-Baugruppe zu bestimmen, d. h. das Potential an der Spitze 23 der vom Kanalelektronenvervielfacher 22 erhaltenen Zählrate zuzuordnen.

Claims (9)

1. Attoamperemeter mit einem Mittel zum Umwandeln eines zu messenden, durch einen Probenleiter (17) fließenden Elektronenstroms in freie Elektronen, wobei eine scharfspitzige Feldemissionsspitze (1) einem Elektronendetektor (4) gegenüberliegt, die Spitze (1) über den Probenleiter (17) an eine erste Quelle eines Potentials (U&sub1;, 18) anschließbar ist, damit sie von ihrem ursprünglich schwebenden Potential auf ein zweites Potential (U&sub2;) aufgeladen wird, welches die Differenz aus dem ersten Potential (U&sub1;) abzüglich des an dem Probenleiter (17) auftretenden Spannungsabfalls (ΔU) ist, und wobei das zweite Potential (U&sub2;) zusammen mit den Emissionseigenschaften der spitze (1) die Anzahl der von der Spitze (1) emittierten freien Elektronen bestimmt, die mittels des Elektronendetektors (4) vervielfacht und mittels eines an den Ausgang des Elektronendetektors (4) angeschlossen elektronischen Zählers (13) gezählt werden, wobei die Zählung des Zählers (13) ein Maß für den zu messenden Elektronenstrom ist, der durch den Probenleiter (17) fließt.

2. Attoamperemeter mit einem Mittel zum Umwandeln eines zu messenden, durch einen Probenleiter (20) fließenden Elektronenstroms in freie Elektronen, wobei der Probenleiter (20) zwischen einer Tunnelspitze (21) und einem Elektronendetektor (22) angeordnet ist und eine scharfspitzige Feldemissionsspitze (23) elektrisch mit dem Probenleiter (20) verbunden ist und dem Konus (24) des Elektronendetektors (22) gegenüberliegt, und wobei, während der Scheitel der Tunnelspitze (21) in einer Tunneldistanz von dem Probenleiter (20) gehalten und ein erstes Potential (U&sub1;) aus einer Spannungsquelle (28) an die Tunnelspitze (21) angelegt ist, die Feldemissionsspitze (23) über den Probenleiter (20) von ihrem ursprünglich schwebenden Potential elektrisch auf ein zweites Potential (U&sub2;) aufgeladen wird, welches die Differenz aus dem ersten Potential (U&sub1;) abzüglich des an dem Probenleiter (20) auftretenden Spannungsabfalls (ΔU) ist, und wobei das zweite Potential (U&sub2;) zusammen mit den Emissionseigenschaften der spitze (23) die Anzahl der von der Spitze (23) emittierten freien Elektronen bestimmt, die mittels des Elektronendetektors (22) vervielfacht und mittels eines an den Ausgang des Elektronendetektors (22) angeschlossenen elektronischen Zählers (25) gezählt werden, wobei die Zählung des elektronischen Zählers (25) ein Maß für den zu messenden Strom ist, der durch den Probenleiter (20) fließt.

3. Attoamperemeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronendetektor (4, 22) als Elektronenvervielfacher ausgebildet ist, und daß die scharfspitzige Spitze (1, 2, 3) in Ausrichtung mit dem Eintrittskonus (9, 24) des Elektronenvervielfachers (4, 22) angeordnet ist.

4. Attoamperemeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze aus einem Wolframwhisker besteht, an dessen Spitze auf einem Trimer von Atomen ein einzelnes Atom sitzt.

5. Attoamperemeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (16, 29) mit Eich- oder Meßstellungen (c, m) vorgesehen ist, der es ermöglicht, das der Spitze (1, 23) zugeführte Potential umzuschalten und ein Kalibrationspotential (Ucal) anzulegen, um während eines Eichvorganges die Bestimmung der Strom-Spannungscharakteristik der Spitze-Elektronendetektor- Anordnung (1, 23; 4, 22) zu gestatten.

6. Attoamperemeter nach Anspruch 5 und Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (16) dazu eingerichtet ist, in der Eichstellung (c) des Schalters (16) die Spitze (1) mit Masse zu verbinden und gleichzeitig eine zwischen der Spitze (1) und dem Elektronendetektor (4) angeordnete Elektrode (3) mit einer Öffnung (2) an das Kalibrationspotential (Ucal) zu legen und in der Meßstellung (in) des Schalters (16) die Spitze (1) mit dem Probenleiter (17) und die Elektrode (3) mit Masse zu verbinden.

7. Attoamperemeter nach Anspruch 5 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (29) dazu eingerichtet ist, in seiner Eichstellung (c) die Spitze (23) mit dem Kalibrationspotential (Ucal) zu verbinden und in seiner Meßstellung (m) die Tunnelspitze (21) mit dem ersten Potential (U&sub1;) zu verbinden.

8. Attoamperemeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Zähler (25) an den Eingang einer Rückkoppeleinheit (26) angeschlossen ist, deren Ausgang mit einem piezoelektrischen Element (27), auf dem die Tunnelspitze (21) angebracht ist, verbunden ist, um die Regelung der Tunneldistanz zwischen der Tunnelspitze (21) und der Oberfläche des Probenleiters (20) zu ermöglichen.

9. Attoamperemeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1) an einem Heizfaden (15) montiert ist, der das Aufheizen der Spitze (1) für Reinigungs- und Schärfungsvorgänge ermöglicht.