Fraisage de précision des nanotubes de carbone des forêts Utilisation Numérisation basse pression 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
Les nanotubes de carbone (NTC) et le graphène sont nanomatériaux à base de carbone qui ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur résistance supérieure, la durabilité, thermique, et les propriétés électriques. Usinage de précision des nanomatériaux de carbone est devenu un sujet émergent de la recherche et offre la possibilité de concevoir et de manipuler ces matériaux vers une variété d'applications d'ingénierie. CNTs d'usinage et le graphène exige la précision spatiale nanométrique d'abord de localiser une zone à l'échelle nanométrique d'intérêt et ensuite pour éliminer sélectivement seulement la matière dans la zone d'intérêt. À titre d'exemple, considérons l'usinage des forêts CNT orientés verticalement (également connu sous le nom des tableaux CNT). La section transversale des forêts CNT peut être précisément définie par un motif lithographique de films de catalyseur. La surface supérieure des forêts orientées verticalement, cependant, sont souvent mal ordonné avec une hauteur non uniforme. Pour les applications de la surface sensible, comme les matériaux d'interface thermique, le til surface irrégulière peut entraver la surface de contact optimale et réduire les performances de l'appareil. Precision parage de la surface irrégulière pour créer une surface plane uniforme pourrait offrir de meilleures performances, plus reproductible en maximisant la zone de contact disponible.
techniques d'usinage de précision pour les nanomatériaux souvent ne ressemblent pas à des technologies mécaniques macroscopiques classiques d'usinage telles que le perçage, le fraisage et le polissage au moyen d'outillage durci. À ce jour, les techniques utilisant des faisceaux énergétiques ont été le plus réussi au fraisage du site sélectif des nanomatériaux de carbone. Ces techniques comprennent laser, faisceau d'électrons, et faisceaux d'ions focalisés (FIB) irradiation. Parmi ceux – ci, des techniques d'usinage laser fournissent la matière rapide taux le plus d'enlèvement 1, 2; Cependant, la taille du point de systèmes laser est de l'ordre de plusieurs microns et est trop grand pour isoler les entités à l'échelle nanométrique comme un simple carbone nle segment anotube dans une forêt densément peuplée. En revanche, les systèmes de faisceaux électroniques et ioniques produisent un faisceau qui peut être focalisé sur un endroit qui est de quelques nanomètres ou moins de diamètre.
systèmes FIB sont spécifiquement conçus pour le fraisage à l'échelle nanométrique et dépôt de matériaux. Ces systèmes utilisent un faisceau énergétique des ions métalliques gazeux (typiquement de gallium) pour pulvériser un matériau à partir d'une zone sélectionnée. FIB mouture de nanotubes de carbone est réalisable, mais souvent avec des sous – produits non voulus , notamment le gallium et le redépôt de carbone dans les régions de la forêt 3, 4 environnante. Lorsque la technique est utilisée pour les forêts de la CNT, les masques matériels redéposés et / ou modifie la morphologie de la région de fraisage sélectionnée, modifier l'apparence et le comportement natif de la forêt CNT. Le gallium peut également implanter au sein de la CNT, fournissant le dopage électronique. Ces conséquences font souvent fraisage à base de FIB prohibitif pour les forêts de la CNT.
<p class="Jove_content"> microscopes électroniques à transmission (TEM) utilisent un faisceau finement focalisé d'électrons pour sonder la structure interne des matériaux. tensions d'accélération pour le fonctionnement TEM varient généralement de 80 à 300 kV. Parce que l'énergie d' entraînement sur des NTC est 86,4 keV 5, l'énergie des électrons produits par TEM est suffisante pour éliminer directement les atomes du réseau CNT et induire fraisage très localisée. Les moulins de technique CNTs avec potentiellement sous-nanomètre de précision 5, 6, 7; cependant, le processus est très lent – nécessitant souvent minutes à un seul moulin CNT. Fait important, les méthodes de broyage à base TEM nécessitent des NTC d'abord être retirés d'un substrat de croissance et dispersés sur une grille de MET pour le traitement. Par conséquent, les méthodes basées sur TEM ne sont généralement pas compatibles avec les CNT forêt broyage dans laquelle le CNT doit rester sur un substrat rigide.Fraisage du CN T forêts par des microscopes électroniques à balayage (SEMS) a également reçu une attention. Par contraste avec les techniques à base TEM, les instruments SEM sont généralement incapables d'accélérer les électrons avec une énergie suffisante pour conférer de l'énergie de réaction en chaîne requise pour enlever directement des atomes de carbone. Au contraire, des techniques basées sur MEB utilisent un faisceau d'électrons, en présence d'un oxydant gazeux à basse pression. Le faisceau d'électrons dommages sélectivement le treillis CNT et peut dissocier l'ambient gazeux dans des espèces plus réactifs tels que H 2 O 2 et le radical hydroxyle. La vapeur d'eau et de l'oxygène sont les gaz les plus fréquemment rapportés pour atteindre la zone de gravure sélective. Du fait que les techniques basées sur MEB reposent sur un procédé chimique en plusieurs étapes, de nombreuses variables peuvent influencer le traitement de taux d'usinage et la précision du procédé. Il a été observé précédemment que l'augmentation de la tension d'accélération et le courant de faisceau augmente directement le taux de broyage en raison d'un flux d'énergie accrue, comme prévu"xref"> 11. L'effet de la pression de la chambre est moins évidente. Une pression trop basse souffre d'un déficit d'agent oxydant, ce qui diminue la vitesse d'usinage. En outre, une surabondance d'espèces gazeuses disperse le faisceau d'électrons et diminue le flux d'électrons dans la zone de fraisage, ce qui réduit également le taux d'enlèvement de matière.
Pour estimer le taux d'élimination du carbone, une approche similaire à celle utilisée par Lassiter et rack 12 a été employé, de sorte que les électrons interagissent avec des molécules précurseurs près de la surface pour générer des espèces réactives qui gravent la surface du substrat. A partir de ce modèle, la vitesse de gravure est estimée
où N A est la concentration en surface des espèces décapantes, Z représente la concentration en surface des sites de réaction disponibles, x est un facteur de stoechiométrie relative de la gravure volatileles produits générés par rapport aux réactifs, A σ représente la probabilité de générer des espèces désirées à partir d' une gravure en phase vapeur collision d' électrons de l' eau et Γe est le flux d'électrons à la surface. Les facteurs de x et A σ sont supposés être l' unité, tandis que Z est supposée être à peu près constante et nettement supérieur à NA. De plus amples détails peuvent être trouvés dans nos travaux précédents. 11
Dans cet article, une procédure est explorée qui utilise la vapeur d'eau à basse pression dans un SEM pour les régions de l'usine allant de NTC individuels à grand volume (dizaines de micromètres cubes) d'enlèvement de matière. Ici, nous démontrons la technique utilisée pour l'usine de forêts au moyen d'un CNT ESEM par l'utilisation de rectangles, la réduction de la zone balayages de lignes horizontales, et tramage commandé par logiciel du faisceau d'électrons. Des logiciels supplémentaires et de matériel sont nécessaires pour la génération de modèle, comme indiqué dans la liste des matières. L'accent est mis sur le retrait par rapportly grandes (100 de microns cubes) de volume de matériau provenant d'une forêt CNT, de sorte que les conditions de traitement suivantes sont relativement agressifs.
Lors de la manipulation de l'échantillon et l'échantillon stub, il est important de porter des gants jetables en nitrile. Cela permettra d'éviter les huiles d'être transférée à la fusée ou de l'échantillon et par conséquent, la détérioration de l'efficacité de la pompe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole détaille les meilleures pratiques pour le fraisage relativement grande (échelle du micron) présente dans les forêts de la CNT. En général, le taux d'enlèvement de matière peut être réduite en réduisant la tension d'accélération, la taille de la tache et le diamètre de l'ouverture. Pour couper un CNT spécifique au sein d'une forêt, les conditions recommandées comprennent 5 kV, une taille de spot de 3, et une ouverture qui est de 50 um ou moins de diamètre. A noter que la tec…
Divulgazioni
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 |
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