Precision Fresing av karbon nanorør Forests av lavtrykk Scanning elektronmikroskopi

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 nanorør (CNTs) og graphene er karbonbaserte nanomaterialer som har tiltrukket seg stor oppmerksomhet på grunn av sin overlegne styrke, holdbarhet, termisk og elektriske egenskaper. Precision maskinering av karbon nanomaterialer har blitt en voksende tema for forskning og gir potensial til å konstruere og manipulere disse materialene mot en rekke tekniske applikasjoner. Maskinering CNTs og graphene krever nanoskala romlig presisjon for å først finne et nanoskala område av interesse og deretter å selektivt fjerne bare materiale innenfor det aktuelle området. Som et eksempel vurdere maskinering av vertikalt orienterte CNT skoger (også kjent som CNT arrays). Tverrsnittet til CNT skog kan defineres presist ved litografisk mønster av katalysator filmer. Den øvre overflate av de vertikalt orienterte skog, er imidlertid ofte dårlig organisert med ikke-ensartet høyde. For overflatesensitive applikasjoner som termisk grensesnitt materialer, than uregelmessig overflate kan hindre optimal kontaktflate og redusere enhetens ytelse. Presisjon trimming av uregelmessig overflate for å skape en jevn flat overflate kan potensielt gi bedre, mer repeterbar ytelse ved å maksimere den tilgjengelige kontaktarealet.

Precision bearbeiding teknikker for nanomaterialer ofte ikke ligner vanlige mesoklimatisk mekaniske maskinering teknologier som boring, fresing og polering ved hjelp av herdet verktøy. Hittil har teknikker ved hjelp av energiske stråler vært mest vellykket på stedet-selektiv fresing av karbon nanomaterialer. Disse teknikkene omfatter laser, elektronstråle, og fokusert ionestråle (FIB) bestråling. Av disse laser maskinering teknikker gir den rask sliping ^{1, 2;} imidlertid, den punktstørrelse av lasersystemer er i størrelsesorden av flere mikron, og er for stor til å isolere nanometerskala enheter, for eksempel en enkelt karbon nanotube segment innenfor et tett befolket skogen. I motsetning elektron og ionestråle-systemer fremstille en stråle som kan fokuseres til et punkt som er flere nanometer eller mindre i diameter.

FIB systemer er spesielt utviklet for nanoskala fresing og deponering av materialer. Disse systemene benytter en energisk stråle av gassholdig metallioner (typisk gallium) for å frese materiale fra et valgt område. FIB fresing av CNTs er oppnåelig, men ofte med utilsiktede biprodukter inkludert gallium og karbon gjenavsetning i omkringliggende områder av skogen ^{tre, fire.} Når teknikken brukes for CNT skogene, redeposited materielle masker og / eller endrer morfologi valgt fresing region, endre den opprinnelige utseende og oppførsel av CNT skogen. Den gallium kan også implantat i CNT, tilby elektronisk doping. Slike konsekvenser ofte gjør FIB-baserte fresing uoverkommelige for CNT skoger.

<p class="Jove_content"> transmisjons-elektronmikroskop (tems) anvender en fint fokusert stråle av elektroner for å undersøke den interne strukturen av materialer. Akselerasjon spenninger for TEM operasjonen vanligvis varierer 80-300 kV. Fordi knock-on energi av CNTs er 86,4 keV ^5, er tilstrekkelig til å direkte fjerne atomer fra CNT gitter og indusere svært lokalisert fresing elektronet energi produsert av TEM. Teknikken møller CNTs med potensielt sub-nanometer presisjon ^{5, 6, 7;} Imidlertid er fremgangsmåten meget langsom – ofte krever minutter til fresing av et enkelt CNT. Viktigere, TEM-baserte frese metoder krever CNTs først bli fjernet fra et vekstsubstrat og dispergert på en TEM gitter for behandling. Som et resultat av TEM-baserte metoder er vanligvis ikke kompatible med CNT skog fresing hvor CNTs må være montert på et stivt substrat.

Fresing av CN T skoger ved scanning elektronmikroskop (SEM) har også fått oppmerksomhet. I motsetning til TEM-baserte teknikker, SEM instrumenter er vanligvis ikke i stand til å akselerere elektroner med tilstrekkelig energi til å formidle den knockout på energien som kreves for å direkte fjerne karbonatomer. Snarere SEM-baserte teknikker benytter en elektronstråle i nærvær av et lavtrykksgassformet oksidant. Den elektronstråle selektivt ødelegger CNT gitteret og kan dissosiere det gassformige omgivelsene inn i flere reaktive arter som H ₂ O ₂ og hydroksylradikalet. Vanndamp og oksygen er de hyppigst rapporterte gasser å oppnå selektiv område etsing. Fordi SEM-baserte teknikker er avhengige av en multippel-trinns kjemisk prosess, kan tallrike prosessvariabler påvirke male hastighet og presisjon av prosessen. Det er tidligere blitt observert at økende akselerasjonsspenningen og strålestrøm direkte øke male hastighet på grunn av en øket energi fluks, som forventet"xref"> 11. Virkningen av kammertrykket er mindre åpenbare. Et trykk som er for lavt lider av en mangel av oksidasjonsmidlet, redusere fresehastigheten. Videre, en over-overflod av gassformig medium sprer elektronstrålen og senker elektron fluksen i male region, også redusere sliping.

For å estimere karbonfjerningshastigheten, en metode lik den som brukes ved Lassiters og Rack ¹² ble anvendt, hvorved elektroner samvirke med forløpermolekyler nær overflaten for å generere reaktive arter som etse substratoverflaten. Fra denne modellen, er etsehastigheten beregnet som

hvor N _A er overflatekonsentrasjon av etsemiddel artene, er Z overflaten konsentrasjonen av tilgjengelige reaksjonsseter, x er en støkiometri faktoren angå den flyktige etsningprodukter som genereres i forhold til reaktantene, representerer A _σ sannsynligheten for å generere de ønskede etsing art fra en elektron vanndamp kollisjon, og tert er elektron fluksen ved overflaten. De faktorer for x og A _σ antas å være enhet, mens Z antas å være tilnærmet konstant og vesentlig større enn NA. Ytterligere detaljer kan finnes i vårt tidligere arbeid. ¹¹

I denne artikkelen, er en prosedyre utforsket som bruker lavtrykks vanndamp i en SEM til møllen regioner som spenner fra individuelle CNTs til stort volum (flere titalls kubikk mikrometer) materiale fjerning. Her viser vi teknikken som brukes for å frese CNT skog ved hjelp av en ESEM ved bruk av redusert areal rektangler, horisontale linjeavsøkingene, og programvarestyrt rastrere av elektronstrålen. Ekstra programvare og maskinvare er nødvendig for mønster generasjon, som beskrevet i Materials List. Det legges vekt på å fjerne slektningly store (100-kubikk mikron) materiale volum fra en CNT skogen, så de følgende bearbeidingsvilkårene er relativt aggressive.

Ved håndtering av prøven og prøven spire, er det viktig å bruke engangs nitrilhansker. Dette vil hindre at oljer fra å bli overført til stussen eller prøven og dermed forringe effektiviteten av pumpene.

Protocol

1. Utarbeidelse av CNT Forest Sample for Fresing CNT Synthesis Innskudd 10 nm av aluminiumoksid (alumina) på en termisk oksidert silisium wafer ved hjelp av atom lag deponering 13 eller andre fysisk dampavsetningsmetoder. Innskudd 1 nm av jern på aluminabærerlaget ved katodeforstøvning 14 eller annen fysisk dampavsetning metode. Syntetisere CNTs som bruker en etablert prosess, for eksempel termisk kjemisk dampavs…

Representative Results

Den ESEM teknikken ble brukt til å frese en CNT skog syntetisert ved hjelp av termisk CVD 15, 16. Valgt fjerning av noen få CNTs område fra inne i en skog er vist i Figur 2 11. For denne demonstrasjonen, parametrene inkluderer 5 kV, spot størrelse på 3, 11 Pa, 170,000X forstørrelse, 2 ms holdetid, og en blenderåpning på 30 mikrometer. <p class="jove_content" fo:keep-together.wi…

Discussion

Protokollen details beste praksis for fresing relativt stor (mikron-skala) har i CNT skoger. Generelt kan det sliping reduseres ved å redusere akselerasjonsspenningen, punktstørrelse, og åpningsdiameter. For å trimme en spesifikk CNT i en skog, anbefales tilstander innbefatter 5 kV, en punktstørrelse på 3, og en åpning som er 50 um eller mindre i diameter. Legg merke til at frese teknikk med redusert areal rektanglene er beskrevet slik at elektronstrålen rastere det lukkede område bare en gang. Den reduserte om…

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