Präzisionsfräsen von Carbon Nanotube Wälder Verwendung von Niederdruck-Rasterelektronenmikroskopie
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
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Graphen sind Kohlenstoff-Nanomaterialien, die erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, wegen ihrer überlegenen Stärke, Haltbarkeit, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Präzisionsbearbeitung von Kohlenstoff-Nanomaterialien hat ein aufstrebendes Thema der Forschung geworden und bietet das Potenzial, diese Materialien zu einer Vielzahl von Engineering-Anwendungen zu entwickeln und zu manipulieren. Machining CNTs und Graphen erfordert nanoskaligen räumlicher Präzision zunächst eine nanoskaligen Bereich von Interesse zu lokalisieren und dann im Bereich von Interesse nur das Material selektiv zu entfernen. Als Beispiel betrachten wir die Bearbeitung von vertikal ausgerichteten CNT Wälder (auch als CNT-Arrays bekannt). Der Querschnitt des CNT Wälder kann präzise durch lithographische Strukturierung der Katalysatorfolien definiert werden. Die obere Oberfläche der vertikal ausgerichteten Wälder, sind jedoch häufig schlecht mit ungleichmäßiger Höhe angeordnet. Für oberflächensensitiven Anwendungen wie Wärmeleitmaterialien, ter unregelmäßige Oberfläche kann eine optimale Oberflächenkontakt behindern und die Leistung der Vorrichtung zu reduzieren. Präzisions-Trimmen der unregelmäßigen Oberfläche könnte eine einheitliche ebene Oberfläche zu schaffen potenziell bieten bessere, wiederholbare Leistung, indem die Fläche zur Verfügung Kontakt zu maximieren.
Präzisionsbearbeitungstechniken für Nanomaterialien häufig tun ähneln nicht konventionellen makroskaligen mechanischen Bearbeitungstechnologien wie Bohren, Fräsen und Polieren durch gehärtete Werkzeuge. Bisher Techniken energetische Strahlen verwendet haben am erfolgreichsten ortsselektive Fräsen von Kohlenstoff-Nanomaterialien. Diese Techniken umfassen Laser, Elektronenstrahl und fokussierten Ionenstrahl (FIB) Bestrahlung. Von diesen bieten Laserbearbeitungstechniken , um die schnellste Abtragsleistung 1, 2; jedoch ist die Punktgröße von Lasersystemen in der Größenordnung von vielen Mikrometern und ist zu groß nanometerskaligen Einheiten wie ein einzelnes Kohlenstoff n zu isolieren,anotube Segment in einem dicht besiedelten Wald. Demgegenüber Elektronen- und Ionenstrahlsysteme erzeugen einen Strahl, der auf einen Punkt fokussiert werden kann, die einige Nanometer oder weniger im Durchmesser ist.
FIB-Systeme sind für nanoskalige Fräs- und Abscheidung von Materialien entwickelt. Diese Systeme verwenden einen energischen Strahl aus gasförmigem Metallionen (typischerweise Gallium) Material aus einem ausgewählten Bereich zu zerstäuben. FIB Fräsen von CNTs ist erreichbar, aber oft mit unbeabsichtigten Nebenprodukte einschließlich Gallium und Kohlenstoff erneute Ablagerung in den umliegenden Regionen des Waldes 3, 4. Wenn die Technik für das CNT Wälder verwendet, die wieder abgelagerte Material Masken und / oder verändert die Morphologie ausgewählter Fräsen Region, das native Aussehen und das Verhalten des CNT Wald zu verändern. Das Gallium kann auch innerhalb der CNT implantieren, elektronische Dotierungsbereitstellt. Solche Folgen oft machen FIB-basierten Fräsen für CNT Wälder unerschwinglich.
<p class="Jove_content"> Transmissions-Elektronenmikroskope (TEMs) verwenden ein fein fokussierter Strahl von Elektronen, die die interne Struktur von Materialien zu untersuchen. Beschleunigungsspannungen für die TEM-Betrieb liegen typischerweise im Bereich von 80 bis 300 kV. Da die Knock-on – Energie von CNTs ist 86,4 keV 5, die Elektronenenergie von TEM erzeugt reicht aus, um direkt Atome aus dem CNT Gitter entfernen und stark lokalisierte Fräsen induzieren. Die Technik Mühlen CNTs mit potenziell Sub-Nanometer Präzision 5, 6, 7; jedoch ist das Verfahren sehr langsam – oft Minuten mill eine einzelne CNT erfordern. Wichtig ist, basierte TEM Fräsen Ansätze erfordern CNTs zunächst aus einem Wachstumssubstrat und dispergiert, auf ein TEM-Gitter für die Verarbeitung entfernt werden. Als Ergebnis TEM-basierende Verfahren sind im allgemeinen nicht kompatibel mit CNT Wald Fräsen in dem die CNTs auf einem starren Substrat verbleiben.Fräsen von CN T Wälder durch Rasterelektronenmikroskope (REM-Aufnahmen) wurde ebenfalls Aufmerksamkeit erhalten. Im Gegensatz zu den TEM-basierte Techniken sind SEM-Instrumente üblicherweise nicht in der Lage Elektronen mit ausreichend Energie zu beschleunigen, die Knock-auf Energie zu verleihen, benötigt, um Kohlenstoffatome direkt entfernen. Vielmehr nutzen SEM-basierte Techniken eines Elektronenstrahls in Gegenwart eines Niederdruck gasförmiges Oxidationsmittel. Der Elektronenstrahl die CNT Gitter selektiv Schäden und kann die gasförmige Umgebung in reaktivere Spezies wie H 2 O 2 und dem Hydroxyl – Radikal dissoziieren. Wasserdampf und Sauerstoff sind die am häufigsten berichteten Gase selektiven Bereich Ätzen zu erreichen. Da die SEM-basierten Techniken stützen sich auf einem mehrstufigen chemischen Prozess, können zahlreiche Verarbeitungsvariablen die Schleifgeschwindigkeit und Genauigkeit des Verfahrens zu beeinflussen. Es wurde zuvor beobachtet, dass man durch Erhöhen Beschleunigungsspannung und Strahlstrom direkt wegen eines erhöhten Energieflusses die Verarbeitungsrate erhöht, wie erwartet"xref"> 11. Die Wirkung der Kammerdruck ist weniger offensichtlich. Ein Druck, der zu niedrig ist, leidet an einem Mangel des Oxidationsmittels, die Verarbeitungsrate abnimmt. Ferner streut ein Überfluss an gasförmigen Spezies des Elektronenstrahls, und verringert die Elektronenflusses in dem Zerkleinerungsbereich, auch die Materialentfernungsrate verringert wird.
Zur Abschätzung Rate der Entfernung von Kohlenstoff, einen ähnlichen Ansatz wie die von Lassiter verwendet und Rack – 12 verwendet wurde, wodurch Elektronen mit Vorläufermoleküle in der Nähe der Oberfläche in Wechselwirkung treten reaktive Spezies zu erzeugen, um die Substratoberfläche zu ätzen. Von diesem Modell wird die Ätzrate geschätzt
wobei N A die Oberflächenkonzentration des Ätzmittels Spezies ist, Z die Oberflächenkonzentration der verfügbaren Reaktionsstellen ist, x eine Stöchiometrie Faktor des flüchtigen Ätzen in Bezugerzeugten Produkte zu den Reaktanten relativ stellt A σ die Wahrscheinlichkeit der gewünschten Ätzspezies aus einem elektronenWasserDampf Kollisionserzeugungs und & Gamma; e ist die Elektronenfluss an der Oberfläche. Die Faktoren X und A σ angenommen Einheit zu sein, während Z angenommen wird , nahezu konstant zu sein und deutlich größer als NA. Weitere Einzelheiten sind in unserer bisherigen Arbeit zu finden. 11
In diesem Artikel wird ein Verfahren untersucht, das Niederdruck-Wasserdampf in einem SEM fräsen Regionen im Bereich von einzelnen CNTs zu großes Volumen (Zehnkubikmikrometer) Materialabtrag verwendet. Hier zeigen wir die Technik verwendet, um mill CNT Wälder eine ESEM durch die Verwendung von reduzierten Bereich Rechtecke unter Verwendung, horizontal Linienscans und softwaregesteuerte Rastern des Elektronenstrahls. Zusätzliche Software und Hardware sind für Mustererzeugung erforderlich, wie in der Materialliste aufgeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Beseitigung relativ platziertly groß (100 von Kubikmikrometer) Materialvolumen von einem CNT Wald, so sind die folgenden Verarbeitungsbedingungen relativ aggressiv.
Wenn die Probe und die Probe Stub Handhabung ist es wichtig, Einweg-Handschuhe zu tragen. Dies verhindert, dass Öl aus auf den Stummel oder der Probe übertragen wird und damit die Wirksamkeit der Pumpe verschlechtert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll Details Best Practices für das Fräsen relativ groß (im Mikrometermaßstab) verfügt in CNT Wälder. Im allgemeinen kann die Materialentfernungsrate durch Verringerung der Beschleunigungsspannung, Punktgröße und Öffnungsdurchmesser verringert werden. Um eine bestimmte CNT in einem Wald trimmen, empfohlenen Bedingungen umfassen 5 kV, eine Punktgröße von 3, und eine Öffnung, die mit 50 & mgr; m oder weniger im Durchmesser ist. Beachten Sie, dass die Frästechnik reduzierte Fläche Rechtecke unter…
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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