कार्बन नैनोट्यूब वन प्रेसिजन मिलिंग कम दबाव स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग
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
कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) और ग्राफीन कार्बन आधारित nanomaterials कि उनके बेहतर ताकत, सहनशीलता, थर्मल, और बिजली के गुणों की वजह से महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है कर रहे हैं। कार्बन nanomaterials की परिशुद्धता मशीनिंग अनुसंधान के एक उभरते विषय बन गई है और इंजीनियर और इंजीनियरिंग आवेदनों की एक किस्म की दिशा में इन सामग्रियों में हेरफेर करने की क्षमता प्रदान करता है किया गया है। मशीनिंग CNTs और ग्राफीन पहले ब्याज की एक nanoscale क्षेत्र का पता लगाने के लिए और फिर चुनिंदा हित के क्षेत्र के भीतर ही सामग्री हटाने के लिए nanoscale स्थानिक परिशुद्धता की आवश्यकता है। एक उदाहरण के रूप में, खड़ी उन्मुख सीएनटी जंगलों की मशीनिंग (सीएनटी भी सरणियों के रूप में जाना जाता है) पर विचार करें। सीएनटी जंगलों के पार अनुभाग ठीक उत्प्रेरक फिल्मों की lithographic patterning द्वारा परिभाषित किया जा सकता है। खड़ी उन्मुख जंगलों के ऊपर की सतह, हालांकि, अक्सर खराब गैर वर्दी ऊंचाई के साथ आदेश दिए हैं। जैसे थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री के रूप में सतह के प्रति संवेदनशील अनुप्रयोगों, टी के लिएवह अनियमित सतह इष्टतम सतह संपर्क में बाधा और डिवाइस के प्रदर्शन को कम कर सकता है। अनियमित सतह एक समान सपाट सतह बनाने के लिए प्रेसिजन ट्रिमिंग संभावित उपलब्ध संपर्क क्षेत्र को अधिकतम द्वारा बेहतर, अधिक repeatable प्रदर्शन की पेशकश कर सकता।
nanomaterials के लिए प्रेसिजन मशीनिंग तकनीक अक्सर ऐसे ड्रिलिंग, मिलिंग, और कठोर टूलींग के माध्यम से चमकाने के रूप में पारंपरिक macroscale यांत्रिक मशीनिंग प्रौद्योगिकियों के समान नहीं है। तिथि करने के लिए, ऊर्जावान मुस्कराते हुए तकनीक का उपयोग कर कार्बन nanomaterials के साइट चयनात्मक मिलिंग में सबसे सफल रहे हैं। इन तकनीकों में लेजर, इलेक्ट्रॉन बीम शामिल हैं, और आयन बीम (मिथ्या) विकिरण ध्यान केंद्रित किया। इनमें से लेजर मशीनिंग तकनीक सबसे तेजी से सामग्री हटाने दर 1, 2 प्रदान करते हैं; हालांकि, लेजर प्रणाली के स्थान आकार में कई माइक्रोन के आदेश पर है और इस तरह के एक भी कार्बन n के रूप में nanometer पैमाने संस्थाओं को अलग-थलग करने के लिए बहुत बड़ी हैएक घनी आबादी वाले जंगल के भीतर anotube खंड। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉन और आयन बीम सिस्टम एक किरण है कि एक जगह कई नैनोमीटर या व्यास में कम है कि करने के लिए ध्यान केंद्रित किया जा सकता है उत्पादन।
मिथ्या प्रणालियों विशेष nanoscale मिलिंग और सामग्री के बयान के लिए तैयार कर रहे हैं। इन पद्धतियों गैसीय धातु आयनों की एक ऊर्जावान किरण (आमतौर पर गैलियम) एक चयनित क्षेत्र से सामग्री धूम करने के लिए उपयोग। CNTs की मिथ्या मिलिंग प्राप्त है, लेकिन अक्सर गैलियम और वन 3, 4 के क्षेत्रों के आस-पास में कार्बन पुनर्निक्षेपण सहित अनायास ही उपोत्पाद के साथ है। तकनीक सीएनटी वन, के लिए redeposited सामग्री मास्क का इस्तेमाल किया और / या चयनित मिलिंग क्षेत्र की आकृति विज्ञान बदल, देशी उपस्थिति और सीएनटी जंगल के व्यवहार में फेरबदल किया जाता है। गैलियम भी सीएनटी के भीतर समाविष्ट हो सकता है, इलेक्ट्रॉनिक डोपिंग प्रदान करते हैं। इस तरह के परिणामों अक्सर मिथ्या आधारित मिलिंग सीएनटी जंगलों के लिए निषेधात्मक हैं।
<p class="Jove_content"> ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (TEMs) सामग्री की आंतरिक संरचना की जांच के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक पतले केंद्रित बीम का उपयोग। मंदिर ऑपरेशन के लिए त्वरण voltages आम तौर पर 80-300 केवी से लेकर। क्योंकि CNTs की दस्तक पर ऊर्जा 86.4 कीव 5, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा मंदिर द्वारा उत्पादित सीधे सीएनटी जाली से परमाणुओं को हटाने और अत्यधिक स्थानीय मिलिंग के लिए प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है। संभावित उप नैनोमीटर परिशुद्धता 5, 6, 7 के साथ तकनीक मिलों CNTs; हालांकि, इस प्रक्रिया बहुत धीमी है – अक्सर मिल एक भी सीएनटी मिनट की आवश्यकता होती है। महत्वपूर्ण बात है, मंदिर-आधारित दृष्टिकोण मिलिंग CNTs पहले एक विकास सब्सट्रेट से हटा दिया है और प्रसंस्करण के लिए एक मंदिर ग्रिड पर फैलाया जा आवश्यकता होती है। नतीजतन, मंदिर आधारित विधियों आम तौर पर सीएनटी वन मिलिंग जिसमें CNTs एक कठोर सब्सट्रेट पर ही रहना चाहिए साथ संगत नहीं हैं।सीएन की मिलिंग टी जंगलों स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) द्वारा भी ध्यान दिया गया है। इसके विपरीत करने में मंदिर-आधारित तकनीकों, SEM उपकरणों आमतौर पर पर्याप्त ऊर्जा के साथ इलेक्ट्रॉनों में तेजी लाने के तोड़े पर ऊर्जा सीधे कार्बन परमाणुओं को दूर करने के लिए आवश्यक प्रदान करने में असमर्थ हैं। बल्कि, SEM आधारित तकनीक एक कम दबाव गैसीय आक्सीकारक की उपस्थिति में एक इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग। इलेक्ट्रॉन बीम चुनिंदा हर्जाना सीएनटी जाली और ऐसे एच 2 ओ 2 और हाइड्रॉक्सिल कट्टरपंथी के रूप में अधिक प्रतिक्रियाशील प्रजातियों में गैसीय परिवेश अलग कर देना सकता है। जल वाष्प और ऑक्सीजन चयनात्मक क्षेत्र नक़्क़ाशी प्राप्त करने के लिए सबसे अधिक सूचना गैसों हैं। क्योंकि SEM आधारित तकनीक एक बहु-कदम रासायनिक प्रक्रिया पर भरोसा करते हैं, कई प्रसंस्करण चर मिलिंग दर और इस प्रक्रिया की शुद्धता को प्रभावित कर सकते हैं। यह पहले देखा गया है बढ़ती त्वरण वोल्टेज और किरण वर्तमान सीधे एक वृद्धि की ऊर्जा प्रवाह की वजह से मिलिंग की दर में वृद्धि है कि, उम्मीद के रूप में"xref"> 11। चैम्बर दबाव का असर कम स्पष्ट है। एक दबाव है कि बहुत कम है, ऑक्सीकरण एजेंट की कमी से ग्रस्त है मिलिंग दर कम। इसके अलावा, गैसीय प्रजातियों में से एक से अधिक बहुतायत इलेक्ट्रॉन बीम scatters और मिलिंग क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन प्रवाह कम हो जाती है, यह भी सामग्री को हटाने की दर कम हो।
कार्बन हटाने की दर, एक दृष्टिकोण Lassiter द्वारा प्रयोग किया जाता है कि इसी तरह का अनुमान है और रैक 12, नियोजित किया गया था जिससे इलेक्ट्रॉनों की सतह के पास अग्रदूत अणुओं के साथ बातचीत प्रतिक्रियाशील प्रजातियों कि सब्सट्रेट सतह खोदना उत्पन्न करने के लिए। इस मॉडल से, खोदना दर के रूप में अनुमान लगाया गया है
जहां एन ए एचेंट प्रजातियों की सतह एकाग्रता है, जेड उपलब्ध प्रतिक्रिया साइटों की सतह एकाग्रता है, एक्स अस्थिर नक़्क़ाशी संबंधित एक stoichiometry कारक हैअभिकारकों के सापेक्ष उत्पन्न उत्पादों, एक σ एक इलेक्ट्रॉन-जल वाष्प टक्कर से वांछित नक़्क़ाशी प्रजाति पैदा करने की संभावना का प्रतिनिधित्व करता है, और Γe सतह पर इलेक्ट्रॉन प्रवाह है। एक्स और एक σ के कारकों, एकता हो ग्रहण कर रहे हैं, जबकि जेड लगभग निरंतर और एनए तुलना में काफी बड़ा माना जाता है। अधिक जानकारी के लिए हमारे पिछले काम में पाया जा सकता है। 1 1
इस अनुच्छेद में, एक प्रक्रिया का पता लगाया है कि मिल व्यक्ति CNTs बड़ी मात्रा में करने के लिए (घन micrometers के दसियों) सामग्री हटाने से लेकर क्षेत्रों के लिए एक SEM के भीतर कम दबाव जल वाष्प का उपयोग करता है। यहाँ हम चक्की सीएनटी कम कर क्षेत्र की आयतों, क्षैतिज रेखा स्कैन, और इलेक्ट्रॉन बीम के सॉफ्टवेयर नियंत्रित rastering के उपयोग के द्वारा एक ESEM का उपयोग कर जंगलों करने के लिए इस्तेमाल तकनीक का प्रदर्शन। के रूप में माल की सूची में उल्लिखित अतिरिक्त सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर, पैटर्न पीढ़ी के लिए आवश्यक हैं। जोर रिश्तेदार को हटाने पर रखा गया हैLy बड़े (घन माइक्रोन की 100) एक सीएनटी जंगल से सामग्री की मात्रा है, तो निम्न प्रसंस्करण की स्थिति अपेक्षाकृत आक्रामक हैं।
जब नमूना और नमूना ठूंठ से निपटने, यह डिस्पोजेबल nitrile दस्ताने पहनने के लिए महत्वपूर्ण है। इस ठूंठ या नमूना के लिए स्थानांतरित किया जा रहा है और इसके परिणामस्वरूप पंप के प्रभाव को बिगड़ने से तेल नहीं कर पाएगा।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल अपेक्षाकृत बड़े (माइक्रोन पैमाने) मिलिंग के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं का विवरण सीएनटी जंगलों में पेश करता है। सामान्य तौर पर, सामग्री हटाने दर त्वरण वोल्टेज, स्थान आकार, और एपर्चर व्यास को कम से …
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 |
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