Alçak Basınç Taramalı Elektron Mikroskobu kullanılarak Karbon Nanotüp Ormanlar Hassas freze
Summary
Low pressure scanning electron microscopy in a water vapor ambient is used to machine nanoscale to microscale features in carbon nanotube forests.
Abstract
A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning electron microscope (ESEM) operating with a low pressure water vapor ambient. In this technique, a portion of the electron beam interacts with the water vapor in the vicinity of the CNT sample, dissociating the water molecules into hydroxyl radicals and other species by radiolysis. The remainder of the electron beam interacts with the CNT forest sample, making it susceptible to oxidation from the chemical products of radiolysis. This technique may be used to trim a selected region of an individual CNT, or it may be used to remove hundreds of cubic microns of material by adjusting ESEM parameters. The machining resolution is similar to the imaging resolution of the ESEM itself. The technique produces only small quantities of carbon residue along the boundaries of the cutting zone, with minimal effect on the native structural morphology of the CNT forest.
Introduction
Karbon nanotüpler (CNT) ve grafen nedeniyle üstün kuvvet, dayanıklılık, termal ve elektriksel özellikleri büyük ilgi çekmiştir karbon bazlı nano malzemeler bulunmaktadır. Karbon Nanomalzemelerin hassas işleme araştırma gelişmekte olan bir konu haline ve mühendis ve mühendislik uygulamalarında çeşitli yönelik bu malzemeleri işlemek için potansiyel sunmaktadır gelmiştir. İşleme CNT ve grafen ilk ilgi nano alanını bulmak ve daha sonra seçici ilgi alanı içinde sadece malzemeyi kaldırmak için nano mekansal hassasiyet gerektirir. Bir örnek olarak, (aynı zamanda CNT dizi olarak da bilinir), dikey olarak yönlendirilmiş CNT ormanların işleme düşünün. CNT ormanların kesiti tam olarak katalizör filmlerin litografik desen ile tanımlanabilir. dikey olarak yönlendirilmiş orman üst yüzeyi, ancak, genellikle zayıf eşit olmayan yüksekliği sıralanır. Bu tür termal arabirim malzemesi olarak yüzey-duyarlı uygulamaları, to düzensiz yüzey optimal yüzey temasını engelleyen ve cihaz performansını düşürebilir. düzgün bir düz bir yüzey oluşturmak için düzensiz yüzey Hassas kırpma potansiyel mevcut temas alanını arttırarak daha iyi, daha tekrarlanabilir performans sunabilir.
Nanomalzemelerin için hassas işleme teknikleri sıklıkla sertleştirilmiş takım vasıtasıyla delme, freze ve parlatma gibi geleneksel macroscale mekanik işleme teknolojilerini benzemez. Bugüne kadar, enerjik kirişler kullanılarak teknikleri karbon nanomateryallerin site seçici freze en başarılı olmuştur. Bu teknikler lazer, elektron ışını içerir ve iyon demeti (FIB) radyasyon duruldu. Bunlardan, lazer işleme teknikleri en hızlı kazıma 1, 2 sağlamak; Ancak, lazer sistemlerinin spot büyüklüğü birçok mikron mertebesinde ve böyle tek bir karbon n olarak nanometre ölçekli varlıkları izole etmek çok büyükyoğun nüfuslu orman içinde anotube segmenti. Buna karşılık, elektron ve iyon ışın sistemleri birkaç nanometre veya daha küçük çaplı bir noktaya odaklanmış olabilir bir ışın üretirler.
FIB sistemler, nano öğütme ve malzemelerin depolanması için tasarlanmıştır. Bu sistemler seçilen bir alandan malzemenin püskürtülmesi için gaz halinde, metal iyonlarının enerjik ışın (tipik olarak galyum) kullanmaktadır. CNTs FIB öğütme elde ama genellikle orman 3, 4 bölgeleri çevresinde galyum ve C-yeniden tortulaşmayı önleme de dahil olmak üzere istenmeyen yan ürünler ile. teknik CNT ormanlar için yeniden çökelmiş malzeme maskeleri kullanılan ve / veya CNT orman yerli görünümünü ve davranışını değiştiren, seçilen freze bölgenin morfolojisi değiştirir zaman. galyum ayrıca elektronik doping sağlayan CNT içinde implante edilebilir. Bu tür sonuçları sık sık CNT ormanlar için FIB tabanlı freze engelleyici olun.
<p class="Jove_content"> Transmisyon elektron mikroskopları (lerinin) Malzemelerin iç yapısını yoklamak için bir elektron ince odaklanmış ışın kullanmaktadır. TEM çalışması için ivme gerilimleri genellikle 80-300 kV arasında değişir. CNTs knock-enerji 86.4 keV 5 olduğu için, TEM ile üretilen elektron enerjisi ile doğrudan CNT kafesten atomuna çıkarın ve yüksek derecede lokalize edilen freze indüklemek için yeterli olur. Potansiyel alt nanometre hassasiyetle 5, 6, 7 teknik fabrikaları CNT; Ancak, süreç çok yavaş – çoğunlukla değirmen tek CNT dakika gerektirir. Önemli olarak, TEM-bazlı öğütme yaklaşımlar CNT ilk büyüme alt-tabaka çıkarıldı ve işleme için bir TEM ızgara üzerine dağılmış olması gerekir. Bunun bir sonucu olarak, TEM dayalı yöntemler, genel olarak CNTs katı bir substrat üzerinde kalması gereken CNT orman öğütme ile uyumlu değildir.CN Freze taranması elektron mikroskopları (SEM) ile T ormanlar da dikkat çekmiştir. aksine teknikleri TEM-bazlı SEM cihazlar doğrudan C-atomuna bertaraf edilmesi için gereken zincirleme enerji vermek için yeterli bir enerjiye sahip elektronların hızlandırılması için genellikle mümkün değildir. Daha ziyade, SEM-tabanlı teknikler düşük basınçlı gaz oksitleyici varlığında bir elektron ışını kullanır. Elektron ışını seçici zarar CNT kafes ve H 2 O 2 ve hidroksil radikali gibi daha reaktif türler içine gaz ortam ayrıştırmaları olabilir. Su buharı ve oksijen seçici alan aşındırma elde etmek için en sık bildirilen gazlardır. SEM-tabanlı teknikler bir çok adımlı kimyasal süreci güveniyor, çünkü çok sayıda işlem değişkenleri sürecinin freze oranı ve hassasiyeti etkileyebilir. Daha önce beklendiği gibi artan bir ivme gerilimi ve ışın akımı doğrudan için daha fazla enerji akışının öğütme oranını arttırdığı gözlenmiştir"xref"> 11. odasının basıncının etkisi daha az açıktır. Çok düşük olan bir basınç öğütme oranının azaltılması, oksitleyici madde bir eksikliğinden muzdariptir. Bundan başka, gaz halindeki türlerinin aşırı miktardaki elektron ışını saçar ve kazıma azaltılması, öğütme bölgede elektron akışı azalır.
Lassiter'la tarafından kullanılana benzer karbon çıkarma oranına, bir yaklaşım tahmin ve elektronlar alt-tabaka yüzeyini aşındırma reaktif türlerin üretilmesi için yüzeye yakın haberci moleküller ile etkileşime böylece 12 kullanılmıştır rafa. Bu model, aşındırma oranı olarak tahmin edilmektedir
K bir çözücüyle türlerin yüzey konsantrasyonu olduğu, Z'nin mevcut Reaksiyon sitelerinin yüzey konsantrasyonu, X, uçucu aşındırma ile ilgili bir stoikiometri faktörüdürreaktanlar göre üretilen ürünler, bir σ bir elektron su buharı çarpışma istenen gravür türler ürettikleri olasılığını temsil eder ve Γe yüzeyi elektron akıdır. Z, hemen hemen sabit ve NA önemli ölçüde daha büyük olduğu varsayılır ise, X ve A σ faktörleri, birlik olduğu varsayılır. Daha fazla ayrıntı önceki çalışmalarında bulunabilir. 11
Bu makalede, bir prosedür bireysel CNTs büyük hacimli (kübik mikrometre onlarca) kazıma arasında değişen değirmen bölgelere bir SEM içinde düşük basınçlı su buharı kullanan incelenmektedir. Burada düşük alanı dikdörtgen, yatay çizgi tarama ve elektron ışınının yazılım kontrollü taramasının kullanılmasıyla bir Esem'ler kullanılarak üretici CNT orman için kullanılan bir teknik göstermektedir. Malzeme Listesinde belirtildiği gibi ek yazılım ve donanım, desen üretimi için gereklidir. Vurgu göreli kaldırılması üzerine yerleştirilirly büyük (kübik mikron 100) 'ın bir CNT ormandan malzeme hacmi, bu nedenle aşağıdaki işlem koşulları nispeten agresif.
örnek ve örnek saplama tutarken, tek kullanımlık nitril eldiven giymek önemlidir. Bu saplama veya numune aktarılır ve dolayısıyla pompaların etkinliğini kötüleşen olmaktan yağlar önleyecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
protokol CNT ormanlarında özellikleri nispeten büyük (mikron ölçekli) freze için en iyi uygulamaları göstermektedir. Genel olarak, kazıma hızlanma voltajı, spot büyüklüğü, ve açıklık çapı azaltarak azaltılabilir. Bir orman içinde belirli bir CNT trim, koşullar 5 kV, 3 spot büyüklüğü ve çapı 50 mikron ya da daha az bir açıklık bulunmaktadır önerilir. elektron ışını kapalı bölgeyi yalnızca bir kez rasterları azaltılmış alan dikdörtgenler kullanarak freze tekniği gibi ayrı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Air Force Office of Scientific Research grant FA9550-16-1-0011 and University of Missouri startup funds. The authors would like to thank the University of Missouri Electron Microscopy Core facility for assistance with SEM imaging and use of patterning equipment and software.
Materials
| 100 mm diameter silicon wafer with 1 micron thermal oxide | University Wafer | Beginning substrate | |
| Iron sputter target | Kurt J. Lesker | EJTFEXX351A2 | Sputter target |
| Savannah 200 | Cambridge | For atomic layer deposition of alumina | |
| Quanta 600F Environmental SEM | FEI | Environmental scanning electron microscope used to support a low-pressure water vapor ambient environment for CNT forest milling | |
| xT Microscope Control software | FEI | 4.1.7 | Control software used on Quanta 600F ESEM |
| Nanometer Pattern Generation System – Software | JC Nabity Lithography Systems | Version 9 | Software used for electron-beam lithography |
| Dedicated computer with PCI516 Lithography board | Equipment used for electron-beam lithography | ||
| DesignCAD software | V 21.2 | Optional equipment used to generate patterns for electron-beam lithography | |
| E-beam lithography mount | Ted Pella | 16405 | Electron beam lithography mount with a Faraday cup and gold nanoparticles on carbon tape |
| Picoammeter | Keithley | 6485 | Used with the Faraday cup to quantify beam current |
| 12.7 mm diameter SEM stub | Ted Pella | 16111 | SEM stub |
| 45 degree pin stub holder | Ted Pella | 15329 | Optional equipment used to mill the cross section of a CNT forest |
References
- Labunov, V., et al. Femtosecond laser modification of an array of vertically aligned carbon nanotubes intercalated with Fe phase nanoparticles. Nanoscale Res Lett. 8 (1), 375-375 (2013).
- Lim, K. Y., et al. Laser Pruning of Carbon Nanotubes as a Route to Static and Movable Structures. Adv Mater. 15 (4), 300-303 (2003).
- Raghuveer, M. S., et al. Nanomachining carbon nanotubes with ion beams. Appl Phys Lett. 84 (22), 4484-4486 (2004).
- Sears, K., Skourtis, C., Atkinson, K., Finn, N., Humphries, W. Focused ion beam milling of carbon nanotube yarns to study the relationship between structure and strength. Carbon. 48 (15), 4450-4456 (2010).
- Smith, B. W., Luzzi, D. E. Electron irradiation effects in single wall carbon nanotubes. J Appl Phys. 90 (7), 3509-3515 (2001).
- Banhart, F., Li, J., Terrones, M. Cutting Single-Walled Carbon Nanotubes with an Electron Beam: Evidence for Atom Migration Inside Nanotubes. Small. 1 (10), 953-956 (2005).
- Krasheninnikov, A. V., Banhart, F., Li, J. X., Foster, A. S., Nieminen, R. M. Stability of carbon nanotubes under electron irradiation: Role of tube diameter and chirality. Phys Rev B. 72 (12), 125428 (2005).
- Royall, C. P., Thiel, B. L., Donald, A. M. Radiation damage of water in environmental scanning electron microscopy. J Microsc. 204 (3), 185-195 (2001).
- Yuzvinsky, T. D., Fennimore, A. M., Mickelson, W., Esquivias, C., Zettl, A. Precision cutting of nanotubes with a low-energy electron beam. Appl Phys Lett. 86 (5), 053109 (2005).
- Liu, P., Arai, F., Fukuda, T. Cutting of carbon nanotubes assisted with oxygen gas inside a scanning electron microscope. Appl Phys Lett. 89 (11), (2006).
- Rajabifar, B., et al. Three-dimensional machining of carbon nanotube forests using water-assisted scanning electron microscope processing. Appl Phys Lett. 107 (14), 143102 (2015).
- Lassiter, M. G., Rack, P. D. Nanoscale electron beam induced etching: a continuum model that correlates the etch profile to the experimental parameters. Nanotechnology. 19 (45), 455306 (2008).
- Amama, P. B., et al. Influence of Alumina Type on the Evolution and Activity of Alumina-Supported Fe Catalysts in Single-Walled Carbon Nanotube Carpet Growth. ACS Nano. 4 (2), 895-904 (2010).
- Almkhelfe, H., Carpena-Nunez, J., Back, T. C., Amama, P. B. Gaseous product mixture from Fischer-Tropsch synthesis as an efficient carbon feedstock for low temperature CVD growth of carbon nanotube carpets. Nanoscale. , (2016).
- Maschmann, M. R., Ehlert, G. J., Tawfick, S., Hart, A. J., Baur, J. W. Continuum analysis of carbon nanotube array buckling enabled by anisotropic elastic measurements and modeling. Carbon. 66, 377-386 (2014).
- Maschmann, M. R., et al. Visualizing Strain Evolution and Coordinated Buckling within CNT Arrays by In Situ Digital Image Correlation. Adv Funct Mater. 22 (22), 4686-4695 (2012).
- Abadi, P. P. S. S., Maschmann, M. R., Baur, J. W., Graham, S., Cola, B. A. Deformation response of conformally coated carbon nanotube forests. Nanotechnology. 24 (47), 475707 (2013).
- Brieland-Shoultz, A., et al. Scaling the Stiffness, Strength, and Toughness of Ceramic-Coated Nanotube Foams into the Structural Regime. Adv Funct Mater. 24 (36), 5728-5735 (2014).
- Maschmann, M. R., Dickinson, B., Ehlert, G. J., Baur, J. W. Force sensitive carbon nanotube arrays for biologically inspired airflow sensing. Smart Mater Struct. 21 (9), 094024 (2012).
- Maschmann, M. R., et al. In situ SEM Observation of Column-like and Foam-like CNT Array Nanoindentation. ACS Appl Mater Inter. 3 (3), 648-653 (2011).
- Pathak, S., Raney, J. R., Daraio, C. Effect of morphology on the strain recovery of vertically aligned carbon nanotube arrays: An in situ study. Carbon. 63, 303-316 (2013).
- Pour Shahid Saeed Abadi, P., Hutchens, S. B., Greer, J. R., Cola, B. A., Graham, S. Effects of morphology on the micro-compression response of carbon nanotube forests. Nanoscale. 4 (11), 3373-3380 (2012).
- Maschmann, M. R. Integrated simulation of active carbon nanotube forest growth and mechanical compression. Carbon. 86, 26-37 (2015).
