Mikrostrukturierte Flüssigmetall-Ionenemitter-Chips: Untersuchung des Benetzungsverhaltens und der Betriebsstabilität von Flüssigmetall-Ionenquellen auf Basis von Glas-Substraten

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Tajmar
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255030622

Eine Flüssigmetall-Ionenquelle besteht üblicherweise aus einem metallischen Emitter (z.B. eine spitze Wolfram Nadel), welcher mit einem flüssigen Metall Treibstoff benetzt wird. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen dem Emitter und einer Lochelektrode können Ionenströme von mehreren 10 µA erzeugt werden. Solche Ionenquellen finden eine weite Verbreitung in sogenannten Focused-Ion-Beam Instrumenten bei der Ionenimplantation, Ionenstrahl Lithographie oder in der Micro/Nano-Bearbeitung. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung konnten wir zeigen, dass sich Glas im Prinzip ebenfalls als Emittermaterial eignet. Glas Kapillaren können wesentlich spitzer und dünner als Metall-Kapillaren gefertigt werden was die Eigenschaften der Ionenquelle in Hinblick auf Ihre Effizienz und Stabilität wesentlich verbessern kann. Außerdem könnte das die Möglichkeit eröffnen, Glas Ionenquellen mit dem MEMS Chip Fertigungsprozess zu erzeugen um die Anzahl der Ionenquellen auf einem Chip beliebig zu vergrößern und so wesentlich größere Ströme zu erzeugen was traditionell nicht einfach erzielbar ist. Erste Experimente haben gezeigt, dass die Verbindungskraft zwischen Glas Substrat und Treibstoff verstärkt werden muss um einen stabilen Langzeitbetrieb zu ermöglichen. Wir schlagen daher ein umfangreiches Forschungsprogramm vor um die Scherfestigkeit zwischen verschiedenen Treibstoffen und Glass Substraten zu untersuchen. Auch der Einfluss der Oxid Schichte soll mit Hilfe von Versuchen in einer Schutzgas Atmosphäre untersucht werden. Nach dem Optimieren der Treibstoff/Substrat Paare, soll ein Einzelemitter aufgebaut und auf seine Langzeit Stabilität untersucht werden. Anschließend soll ein Cluster aus Einzelemittern hergestellt und auf seine Homogenität untersucht werden, sowie Probleme die sich aus dem Clustern ergeben können speziell untersucht werden. Danach planen wir MEMS Prototypen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik herzustellen und zu testen. Dieses Projekt würde die Entwicklung einer neuartigen Ionenquelle (Glass Flüssigmetall Ionenquelle) mit potentiell sehr interessanten Eigenschaften wie hoher Skalierbarkeit und Stabilität, sowie ein besseres Verständnis für die Benetzung von Flüssigmetallen auf Glas Oberflächen ermöglichen. Anwendungsfelder wären z.B. Mikro Antriebssysteme für Nanosatelliten oder bei Formationsflügen mit hoher Präzision, selbstheilende Elektronenemitter mit hohen Emissionsströmen oder großflächige Ionenimplantationsanlagen mit hohen Prozessgeschwindigkeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Christian Wenzel