Precision Fresagem de Nanotubos de Carbono Florestas Usando Baixa Pressão Scanning Electron Microscopy

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

Os nanotubos de carbono (CNT) e grafeno são nanomateriais à base de carbono que têm atraído grande atenção devido à sua força superior, durabilidade, térmica e propriedades elétricas. usinagem de precisão de nanomateriais de carbono tornou-se um tema emergente de pesquisa e oferece o potencial para projetar e manipular esses materiais para uma variedade de aplicações de engenharia. Nanotubos de carbono de usinagem e grafeno requer precisão espacial nanoescala a primeira localizar uma área nanoescala de interesse e, em seguida, para eliminar selectivamente apenas o material no interior da área de interesse. Como um exemplo, considere a usinagem das florestas CNT orientados verticalmente (também conhecido como matrizes CNT). A secção transversal das florestas CNT pode ser definido com precisão por padronização litográfica de filmes de catalisador. A superfície de topo das florestas orientados verticalmente, no entanto, são frequentemente mal ordenados com uma altura não uniforme. Para aplicações sensíveis à superfície, tais como materiais de interface térmica, tele superfície irregular pode impedir o contacto de superfície ideal e reduzir o desempenho do dispositivo. corte de precisão da superfície irregular para criar uma superfície plana uniforme poderia oferecer um melhor desempenho, mais repetível, maximizando a área de contato disponíveis.

técnicas de usinagem de precisão para os nanomateriais com frequência não se assemelham tecnologias mecânicas macroescala convencionais de usinagem, tais como a perfuração, moagem e polimento por meio de ferramentas endurecido. Até à data, as técnicas que utilizam feixes energéticos têm sido mais bem sucedido no local seletivo moagem de nanomateriais de carbono. Essas técnicas incluem laser, feixe de elétrons, e focado ion feixe de irradiação (FIB). Destes, as técnicas de maquinagem a laser fornece a taxa mais rápida de remoção de material ^{1, 2;} No entanto, o tamanho do ponto de sistemas de laser é da ordem de vários micra e é demasiado grande para isolar entidades à escala nanométrica, tais como um único carbono nsegmento anotube dentro de uma floresta densamente povoada. Por outro lado, os sistemas de feixe de electrões e iões de produzir um feixe que pode ser focado para um local que é de vários nanômetros ou menos de diâmetro.

sistemas FIB são projetados especificamente para a moagem em nanoescala e deposição de materiais. Esses sistemas utilizam um feixe de energia de íons metálicos gasosos (tipicamente de gálio) a gaguejar material de uma área selecionada. FIB moagem de nanotubos de carbono é viável, mas muitas vezes com subprodutos não intencionais, incluindo gálio e redeposição de carbono em regiões vizinhas da floresta ^{3, 4.} Quando a técnica é usada para florestas CNT, as máscaras de material redepositada e / ou altera a morfologia da região de moagem selecionado, alterando a aparência nativa e do comportamento da floresta CNT. O gálio também podem implantar no CNT, proporcionando dopagem electrónico. Tais consequências muitas vezes fazem moagem baseado em FIB proibitivo para as florestas da CNT.

<p class="Jove_content"> microscópio eletrônico de transmissão (ETM) utilizam um feixe fino focalizado de elétrons para sondar a estrutura interna de materiais. voltagens de aceleração para a operação TEM normalmente variam de 80-300 kV. Porque a energia knock-on de nanotubos de carbono é 86,4 keV ^5, a energia electrónica produzida por TEM é suficiente para remover diretamente os átomos da rede CNT e induzir moagem altamente localizada. Os moinhos técnica CNT com potencialmente precisão sub-nanométrica ^{5, 6, 7;} No entanto, o processo é muito lento – muitas vezes exigindo minutos para fresar um único CNT. Importante, as abordagens de fresagem à base de TEM requerem os nanotubos de carbono que primeiro ser removida de um substrato de crescimento e dispersas sobre uma grelha TEM para processamento. Como resultado, métodos com base em TEM geralmente não são compatíveis com a moagem CNT floresta em que o CNT tem de permanecer num substrato rígido.

Fresagem de CN florestas T fazendo a varredura microscópios eletrônicos (SEMs) também tem recebido atenção. Em contraste com as técnicas baseadas-MET, instrumentos de SEM são tipicamente incapazes de acelerar electrões com energia suficiente para transmitir a energia de arrastamento necessária para remover directamente átomos de carbono. Pelo contrário, técnicas baseadas em MEV utilizar um feixe de electrões, na presença de um oxidante gasoso de baixa pressão. O feixe de elétrons danos selectivamente a treliça CNT e pode dissociar o ambiente gasoso em espécies mais reativas, como H ₂ O ₂ e o radical hidroxila. O vapor de água e oxigênio são os gases mais comumente relatados para alcançar condicionamento área seletiva. Uma vez que as técnicas baseadas em MEV dependem de um processo químico de múltiplos passos, numerosas variáveis ​​de processamento pode influenciar a taxa de moagem e a precisão do processo. Foi previamente observado que o aumento da voltagem de aceleração e corrente de feixe aumenta directamente a taxa de moagem por causa de um aumento do fluxo de energia, como seria de esperar"xref"> 11. O efeito da pressão da câmara é menos evidente. Uma pressão muito baixa que é sofre de uma deficiência do agente de oxidação, diminuindo a taxa de moagem. Além disso, um excesso de abundância de espécies gasosas espalha o feixe de elétrons e diminui o fluxo de elétrons na região de fresagem, também diminuindo a taxa de remoção de material.

Para estimar a taxa de remoção de carbono, uma abordagem semelhante ao utilizado por Lassiter e cremalheira ¹² foi empregado, em que elétrons interagem com moléculas precursoras perto da superfície para gerar espécies reactivas que o etch a superfície do substrato. A partir deste modelo, a taxa de corrosão é estimada como

onde N _A é a concentração na superfície das espécies atacantes, Z é a concentração de locais de reacção da superfície disponíveis, x é um factor estequiometria relativa do ataque químico volátilprodutos gerados em relação aos reagentes, uma _σ representa a probabilidade de gerar as espécies etching desejados a partir de uma colisão de vapor de água de electrões, e yE é o fluxo de electrões na superfície. Os factores de X e A _σ são assumidos como sendo a unidade, enquanto Z é assumido como sendo quase constante, e significativamente maior do que o NA. Mais detalhes podem ser encontrados no nosso trabalho anterior. ¹¹

Neste artigo, um procedimento é explorado que utiliza vapor de água de baixa pressão dentro de um SEM às regiões moinho que variam de nanotubos de carbono individuais para grande volume (dezenas de micrômetros cúbicos) de remoção de material. Aqui demonstramos a técnica utilizada para florestas CNT moinho usando um ESEM pelo uso de rectângulos, reduziu a área varrimentos das linhas horizontais, e A varredura do feixe de electrões controlados por software. software e hardware adicionais são necessários para a geração de padrões, conforme descrito na Lista de Materiais. A ênfase é colocada sobre a remoção relativaly grandes (100 dos mícrons cúbicos) de volume de material a partir de uma floresta CNT, então as seguintes condições de processamento são relativamente agressivo.

Ao manusear a amostra e a ponta da amostra, é importante usar luvas de borracha nitrílica descartáveis. Isso vai impedir que os óleos de ser transferido para o topo ou de amostra e, consequentemente, a deterioração da eficácia das bombas.

Protocol

1. Preparação da Amostra CNT Floresta para fresagem CNT Síntese Depósito de 10 nm de óxido de alumínio (alumina) sobre uma pastilha de silício termicamente oxidado usando deposição de camadas atômicas 13 ou outros métodos de deposição de vapor físico. Depósito 1 nm de ferro sobre a camada de suporte de alumina por pulverização catódica 14 ou outro método de deposição de vapor físico. Sintetizar …

Representative Results

A técnica ESEM foi usada para moer uma floresta CNT sintetizados utilizando térmica DCV 15, 16. Remoção área seleccionada de uns poucos de nanotubos de carbono dentro de uma floresta é mostrado na Figura 2 11. Para esta demonstração, incluem parâmetros de 5 kV, o tamanho do ponto de 3, 11 Pa, 170,000X ampliação, 2 ms o tempo de paragem, e uma abertura de malha de 30 um. <p c…

Discussion

O protocolo detalhes as melhores práticas para moagem relativamente grande (escala micron) apresenta em florestas da CNT. Em geral, a taxa de remoção de material pode ser reduzido através da redução da voltagem de aceleração, tamanho do ponto, e o diâmetro da abertura. Para aparar uma CNT específico dentro de uma floresta, sob as condições recomendadas incluem 5 kV, um tamanho de mancha de 3, e de uma abertura que é de 50 fim ou menos de diâmetro. Note-se que a técnica de moagem usando rectângulos área …

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