High-field forming of tungsten surface by evaporation in liquid nitrogen

Abstract

The basic obstacle to the application of the method of low-temperature field evaporation is the necessity of the creation of superhigh electric fields on the surface of the processing object. There are problems connected with the destruction of objects under the action of mechanical stress, generated by an electric field. In this contribution was shown that the phenomenon of high-field evaporation of metals in liquid nitrogen could be used for controlled forming of metal products with the sizes in a nanometer range used in modern nanotechnology. The evolution of microtopography was investigated by methods of field ion and electron microscopy and conventional methods of scanning electron microscopy. This contribution shows that as distinct from low-temperature evaporation in a high vacuum evaporation is observed here in a wide range of electric field strengths 4…57 V/nm. In the proposed treatment process the mechanical stress of the electric field falls as low as 20 kg/mm². This value is less than the macroscopic strength by an order of magnitude.

Суттєвою перепоною в застосуванні методу низькотемпературного польового випарування є необхідність створення надсильних електричних полів на поверхні об’єкта, що оброблюється. У таких полях виникають проблеми, пов’язані з руйнуванням об’єктів під дією механічних напружень, які створюються електричним полем. У цій роботі було показано, що явище високопольового випаровування металів у рідкому азоті може бути використано для контрольованого формозмiнення металевих виробів з розмірами в нанометровому діапазоні, які застосовуються в сучасній нанотехнологiї. Еволюцію мікротопографії було досліджено методами польової іонної та електронної мікроскопії і традиційними методами скануючої електронної мікроскопії. Показано, що на відміну від польового випаровування у високому вакуумі, ефект спостерігається в широкому інтервалі напруженостей поля – 4…57 В/нм. У цьому разі механічні напруження електричного поля знижуються до 20 кг/мм², що на порядок менше межі макроскопічної міцності.

Существенной преградой в применении метода низкотемпературного полевого испарения является необходимость создания сверхсильных электрических полей на поверхности обрабатываемого объекта. В таких полях возникают проблемы, связанные с разрушением объектов под воздействием механических напряжений, создаваемых электрическим полем. В этой работе было показано, что явление высокополевого испарения металлов в жидком азоте может быть использовано для контролируемого формоизменения металлических изделий с размерами в нанометровом диапазоне, которые применяются в современной нанотехнологии. Эволюция микротопографии была исследована методами полевой ионной и электронной микроскопии и традиционными методами сканирующей электронной микроскопии. Показано, что в отличие от низкотемпературного полевого испарения в высоком вакууме, эффект наблюдается в широком интервале напряженностей поля – 4…57 В/нм. В этом случае механические напряжения электрического поля снижаются до 20 кг/мм², что на порядок меньше предела макроскопической прочности.