Fresado de precisión de nanotubos de carbono de los bosques El uso de baja presión de barrido Microscopía Electrónica
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
Los nanotubos de carbono (CNT) y el grafeno son los nanomateriales basados en el carbono que han atraído considerable atención debido a su mayor resistencia, durabilidad térmica y propiedades eléctricas. mecanizado de precisión de los nanomateriales de carbono se ha convertido en un tema emergente de la investigación y ofrece el potencial para diseñar y manipular estos materiales hacia una variedad de aplicaciones de ingeniería. CNT de mecanizado y grafeno requiere precisión espacial nanoescala ubicar en primer lugar una zona a nanoescala de interés y luego para eliminar selectivamente sólo el material dentro del área de interés. Como ejemplo, considerar el mecanizado de los bosques CNT orientados verticalmente (también conocida como matrices de CNT). La sección transversal de los bosques CNT puede ser precisamente definida por el patrón litográfica de las películas de catalizador. La superficie superior de los bosques orientados verticalmente, sin embargo, son frecuentemente mal ordenó con la altura no uniforme. Para aplicaciones sensibles a la superficie tales como materiales de interfaz térmica, tsuperficie irregular que puede impedir el contacto de la superficie óptima y reducir el rendimiento del dispositivo. recorte de precisión de la superficie irregular para crear una superficie plana uniforme podría potencialmente ofrecer un mejor rendimiento, más repetible al maximizar el área de contacto disponible.
técnicas de mecanizado de precisión para los nanomateriales con frecuencia no se parecen a las tecnologías de mecanizado mecánico macroescala convencionales tales como taladrado, fresado y pulido por medio de herramientas endurecido. Hasta la fecha, las técnicas que utilizan rayos energéticos han tenido más éxito en la molienda selectiva de sitio de los nanomateriales de carbono. Estas técnicas incluyen láser, haz de electrones, y se centró la irradiación por haz de iones (FIB). De estos, las técnicas de mecanizado por láser proporcionan la mayor tasa de eliminación de material rápido 1, 2; sin embargo, el tamaño del punto de sistemas de láser es del orden de muchos micrómetros, y es demasiado grande para aislar entidades de escala nanométrica, como una sola carbono nanotube segmento dentro de un bosque densamente poblado. Por el contrario, los sistemas de haces de electrones e iones producen un haz que puede ser enfocado a un punto que está varios nanómetros o menos de diámetro.
sistemas de FIB se han diseñado específicamente para el fresado de nanoescala y la deposición de materiales. Estos sistemas utilizan un haz de energía de iones de metales gaseosos (normalmente de galio) para pulverización catódica material de un área seleccionada. FIB molienda de CNT es alcanzable, pero a menudo con subproductos no deseados que incluyen galio y re-deposición de carbono en las regiones circundantes de la selva 3, 4. Cuando se utiliza la técnica para los bosques CNT, las máscaras de material redepositados y / o altera la morfología de la región de molienda seleccionado, alterar la apariencia nativa y el comportamiento del bosque CNT. El galio también puede implantar dentro de la CNT, proporcionando el dopaje electrónico. Tales consecuencias a menudo hacen a base de fresado FIB prohibitivo para los bosques de la CNT.
<p class="Jove_content"> microscopios electrónica de transmisión (TEM) utilizan un haz finamente enfocada de electrones para investigar la estructura interna de los materiales. voltajes de aceleración para la operación TEM suelen oscilar entre 80-300 kV. Debido a que la energía reacción en cadena de la CNT es 86,4 keV 5, la energía de los electrones producidos por TEM es suficiente para eliminar directamente los átomos de la red cristalina CNT e inducir la molienda muy localizada. Los nanotubos de carbono molinos técnica con precisión potencialmente subnanométrica 5, 6, 7; sin embargo, el proceso es muy lento – a menudo requieren minutos a molino de un solo CNT. Es importante destacar que, los enfoques de molienda a base de TEM requieren CNTs a ser quitados primero a partir de un sustrato de crecimiento y se dispersaron en una rejilla de TEM para su procesamiento. Como resultado, los métodos basados en TEM no son generalmente compatibles con CNT fresado bosque en el que los CNT debe permanecer en un sustrato rígido.Fresado de CN T bosques mediante el escaneo de los microscopios electrónicos (SEM) también ha sido objeto de atención. En contraste con las técnicas de TEM-base, instrumentos SEM son típicamente incapaz de acelerar electrones con energía suficiente para impartir la energía reacción en cadena necesaria para eliminar directamente átomos de carbono. Más bien, técnicas basadas en SEM utilizan un haz de electrones en presencia de un oxidante gaseoso de baja presión. El haz de electrones daños selectivamente la celosía CNT y puede disociar el ambiente gaseoso en las especies más reactivas tales como H 2 O 2 y el radical hidroxilo. El vapor de agua y el oxígeno son los gases más comúnmente reportados para lograr el grabado de área selectiva. Debido a que las técnicas basadas en SEM se basan en un proceso químico de múltiples pasos, numerosas variables de procesamiento pueden influir en la velocidad de molienda y la precisión del proceso. Se ha observado anteriormente que el aumento de corriente voltaje de aceleración y de la viga aumenta directamente la tasa de molienda debido a un mayor flujo de energía, como se esperaba"xref"> 11. El efecto de la presión de la cámara es menos obvio. Una presión que es demasiado bajo sufre de una deficiencia de agente oxidante, la disminución de la tasa de molienda. Además, un-abundancia de especies gaseosas dispersa el haz de electrones y disminuye el flujo de electrones en la región de fresado, también la disminución de la tasa de eliminación de material.
Para estimar la tasa de eliminación de carbono, un enfoque similar a la utilizada por Lassiter y la cremallera 12 se empleó, por lo que los electrones interaccionan con moléculas precursoras cerca de la superficie para generar especies reactivas que atacar la superficie del sustrato. A partir de este modelo, la velocidad de grabado se estima como
donde N es la concentración de superficie de la especie Etchant, Z es la concentración superficial de los sitios de reacción disponibles, x es un factor de estequiometría relativa del grabado volátilproductos generados en relación con los reactivos, A σ representa la probabilidad de generar la especie de grabado deseados de una colisión de electrones vapor de agua, y Γe es el flujo de electrones en la superficie. Los factores de x y A σ se supone que son la unidad, mientras que Z se supone que es casi constante y significativamente más grande que NA. Más detalles se pueden encontrar en nuestro trabajo anterior. 11
En este artículo, un procedimiento se explora que utiliza vapor de agua a baja presión dentro de un SEM a las regiones de molino que van desde CNT individuales de gran volumen (decenas de micrómetros cúbicos) de eliminación de material. Aquí se demuestra la técnica utilizada para molino bosques CNT usando un ESEM por el uso de rectángulos reducción de área, las exploraciones de línea horizontal, y Barrido de software controlado del haz de electrones. Se requiere software y hardware adicional para la generación de patrones, como se indica en la Lista de materiales. Se hace hincapié en la eliminación relativaLy grandes (100 micras de de volumen del material cúbicos) de un bosque CNT, por lo que las siguientes condiciones de procesamiento son relativamente agresivo.
Al manipular la muestra y el talón de la muestra, es importante usar guantes de nitrilo desechables. Esto evitará que los aceites de ser transferido al talón o de la muestra y por lo tanto el deterioro de la eficacia de las bombas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo detalla las mejores prácticas para el fresado relativamente grande (a escala micrométrica) presenta en los bosques de la CNT. En general, la tasa de eliminación de material se puede reducir mediante la reducción de la tensión de aceleración, tamaño de punto, y el diámetro de la abertura. Para recortar una CNT específica dentro de un bosque, recomiendan condiciones incluyen 5 kV, un tamaño de punto de 3, y una abertura que es de 50 micras o menos de diámetro. Tenga en cuenta que la técnica de fre…
Declarações
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 |
Referências
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