الدقة طحن الأنابيب الجزيئية الكربونية الغابات عن طريق انخفاض الضغط الضوئي المجهر الإلكتروني
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
أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) والجرافين هي المواد النانوية الكربونية التي جذبت اهتماما كبيرا بسبب قوتها العالية والمتانة والحرارية، والخواص الكهربائية. أصبحت الآلات الدقيقة للمواد النانوية الكربونية موضوعا الناشئة من الأبحاث ويوفر القدرة على مهندس والتعامل مع هذه المواد نحو مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية. الأنابيب النانوية الكربونية وتصنيع الآلات والجرافين تتطلب الدقة المكانية النانو لتحديد أول منطقة النانو ذات الاهتمام ومن ثم لإزالة انتقائي فقط المواد داخل المنطقة من الفائدة. وكمثال على ذلك، والنظر في تشكيل الغابات المركز الوطني للاستشعار موجه عموديا (المعروف أيضا باسم صفائف CNT). المقطع العرضي من الغابات المركز الوطني للاستشعار يمكن محددة بدقة من قبل الزخرفة الحجرية من الأفلام محفز. السطح العلوي للغابات موجه عموديا، ومع ذلك، في كثير من الأحيان سيئة أمرت مع ارتفاع غير موحدة. للتطبيقات الحساسة للسطح مثل مواد واجهة الحرارية، ركان السطح غير المنتظم يمكن أن تعرقل الأمثل اتصال سطح والحد من أداء الجهاز. تقليم الدقة لسطح غير منتظم لخلق سطح مستو موحد يحتمل أن تقدم أفضل، وأداء أكثر للتكرار من خلال تعظيم مجال الاتصال المتاحة.
تقنيات الآلات الدقيقة للمواد النانوية في كثير من الأحيان لا تشبه التقنيات الميكانيكية macroscale التقليدية بالقطع مثل الحفر والطحن، وتلميع عن طريق الأدوات صلابة. حتى الآن، وقد تم استخدام تقنيات الحزم حيوية أنجح في طحن انتقائية الموقع للمواد النانوية الكربونية. وتشمل هذه التقنيات ليزر، شعاع الإلكترون، وركزت شعاع ايون (FIB) التشعيع. من هذه، توفر تقنيات بالقطع ليزر معظم المواد السريعة معدل إزالة 1، 2، ومع ذلك، فإن حجم البقعة من أنظمة الليزر هو بناء على أمر من العديد من ميكرون وكبير جدا لعزل الكيانات نانومتر النطاق مثل ن الكربون واحد قطاع anotube داخل غابة كثيفة السكان. على النقيض من ذلك، والإلكترون وأيون أنظمة شعاع تنتج شعاع التي يمكن أن تركز على نقطة وهذا هو عدة نانومتر أو أقل في القطر.
تم تصميم أنظمة الاكذوبه خصيصا لطحن النانو وترسب المواد. هذه الأنظمة تستخدم شعاع حيوية من ايونات المعادن الغازية (عادة الغاليوم) لتفل المواد من المنطقة المحددة. الاكذوبه طحن الأنابيب النانوية الكربونية يمكن تحقيقه، ولكن كثير من الأحيان مع المنتجات الثانوية غير مقصودة بما في ذلك الغاليوم وإعادة الترسب الكربون في المناطق المحيطة بها من الغابة 3 و 4. عند استخدام هذه التقنية للغابات CNT، أقنعة المواد redeposited و / أو يغير مورفولوجيا المنطقة طحن المحدد، تغيير المظهر الأصلي وسلوك الغابة المركز الوطني للاستشعار. الغاليوم قد زرع أيضا في المجلس الوطني الانتقالي، وتوفير المنشطات الإلكترونية. هذه النتائج غالبا ما تجعل طحن أساس FIB-باهظة من أجل الغابات المركز الوطني للاستشعار.
<p class="jove_content"> المجاهر نقل الإلكترون (إحساس الغانيين) الاستفادة من شعاع ناعما تركيزا من الإلكترونات لفحص التركيب الداخلي للمواد. الفولتية تسريع لعملية تيم عادة ما تتراوح 80-300 كيلو فولت. لأن الطاقة المغلوب على من الأنابيب النانوية الكربونية 86.4 كيلو 5، والطاقة التي تنتجها الالكترونات TEM كافية لإزالة مباشرة ذرات من شعرية المركز الوطني للاستشعار وحمل طحن محلية شديدة. مطاحن تقنية الأنابيب النانوية الكربونية مع يحتمل نانومتر الفرعي الدقة 5، 6، 7؛ ومع ذلك، فإن عملية بطيئة جدا – التي تتطلب في كثير من الأحيان دقيقة لمطحنة المركز الوطني للاستشعار واحد. الأهم من ذلك، تتطلب نهجا طحن القائم تيم الأنابيب النانوية الكربونية إلى إزالة أول من ركيزة النمو وفرقت على شبكة تيم للمعالجة. ونتيجة لذلك، أساليب تعتمد على تيم عادة ما تكون غير متوافقة مع الطحن الغابات المركز الوطني للاستشعار فيها الأنابيب النانوية الكربونية يجب أن تبقى على ركيزة صلبة.طحن CN تلقت تي الغابات عن طريق المسح الضوئي المجاهر الإلكترونية (محترفو التسويق عبر محركات) أيضا الاهتمام. وعلى النقيض من تقنيات تيم المستندة إلى أدوات ووزارة شؤون المرأة غير قادرة عادة لتسريع الإلكترونات مع ما يكفي من الطاقة لنقل الطاقة المغلوب على المطلوب لإزالة مباشرة ذرات الكربون. بدلا من ذلك، التقنيات التي تعتمد SEM-تستخدم شعاع الالكترون في وجود مادة مؤكسدة الغازي الضغط المنخفض. شعاع الالكترون انتقائي الأضرار شعرية المركز الوطني للاستشعار وقد تنأى في المحيط الغازية إلى أنواع أكثر تفاعلية مثل H 2 O 2 والهيدروكسيل. بخار الماء والأكسجين والغازات ذكرت الأكثر شيوعا لتحقيق النقش منطقة انتقائية. لأن التقنيات التي تعتمد SEM-تعتمد على عملية كيميائية متعددة الخطوات، والمتغيرات معالجة العديد من قد تؤثر على معدل الطحن ودقة العملية. وقد لوحظ سابقا أن زيادة تسارع الجهد والحزم الحالية تزيد بشكل مباشر على سعر الطحن بسبب زيادة تدفق الطاقة، كما هو متوقع"XREF"> 11. تأثير ضغط الغرفة هو أقل وضوحا. وضغط شديد الانخفاض يعاني من نقص عامل مؤكسد، وخفض معدل الطحن. وعلاوة على ذلك، والإفراط في وفرة الأنواع الغازية ينثر شعاع الالكترون ويقلل من تدفق الإلكترونات في المنطقة الطحن، وأيضا خفض معدل إزالة المادي.
لتقدير معدل إزالة الكربون، وهو نهج مماثلة لتلك المستخدمة من قبل اسيتر والرف كان يعمل 12، حيث تتفاعل الإلكترونات مع جزيئات السلائف بالقرب من السطح لتوليد أنواع رد الفعل الذي حفر على سطح الركيزة. من هذا النموذج، ويقدر معدل حفر كما
حيث N A هو تركيز سطح الأنواع منمش، Z هو تركيز سطح مواقع التفاعل المتاحة، x هو عامل رياضيات الكيمياء المتعلقة النقش متقلبةالمنتجات الناتجة بالنسبة إلى المواد المتفاعلة، يمثل وσ احتمال توليد أنواع الحفر المطلوب من بخار الاصطدام المياه الإلكترون، وΓe هو تدفق الإلكترونات على السطح. ويفترض أن عوامل س و A σ أن تكون وحدة وطنية، في حين يفترض Z أن يكون ثابتا تقريبا، وأكبر بكثير من NA. ويمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل في عملنا السابق. 11
في هذه المقالة، هو استكشاف إجراء يستخدم الضغط المنخفض بخار الماء داخل ووزارة شؤون المرأة إلى المناطق مطحنة تتراوح بين الأنابيب النانوية الكربونية الفردية إلى حجم كبير (عشرات ميكرومتر مكعب) إزالة المواد. نحن هنا لشرح هذه التقنية تستخدم لالغابات المركز الوطني للاستشعار مطحنة باستخدام ESEM باستخدام انخفاض المستطيلات المنطقة، بمسح الخط الأفقي، والتي تسيطر عليها البرنامج rastering شعاع الالكترون. ويلزم برامج إضافية وأجهزة لتوليد نمط، على النحو المبين في قائمة المواد. ويتم التركيز على إزالة قريبكبيرة لاي (100 من ميكرون مكعب) حجم المواد من الغابات المركز الوطني للاستشعار، وبالتالي فإن الظروف المعالجة التالية هي عدوانية نسبيا.
عند التعامل مع العينة وكعب عينة، من المهم أن ارتداء قفازات النتريل المتاح. هذا سيمنع الزيوت من نقله إلى كعب أو عينة، وبالتالي تدهور فعالية المضخات.
Protocol
Representative Results
Discussion
تفاصيل البروتوكول أفضل الممارسات لطحن كبير نسبيا (ميكرون على نطاق و) يتميز في الغابات المركز الوطني للاستشعار. بشكل عام، قد يتم تخفيض معدل إزالة المواد عن طريق الحد من الجهد والتسارع، وحجم البقعة، وقطر الفتحة. لخفض المركز الوطني للاستشعار معين داخل غابة، أوصى تشمل ا?…
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 |
References
- Labunov, V., et al. Femtosecond laser modification of an array of vertically aligned carbon nanotubes intercalated with Fe phase nanoparticles. Nanoscale Res Lett. 8 (1), 375-375 (2013).
- Lim, K. Y., et al. Laser Pruning of Carbon Nanotubes as a Route to Static and Movable Structures. Adv Mater. 15 (4), 300-303 (2003).
- Raghuveer, M. S., et al. Nanomachining carbon nanotubes with ion beams. Appl Phys Lett. 84 (22), 4484-4486 (2004).
- Sears, K., Skourtis, C., Atkinson, K., Finn, N., Humphries, W. Focused ion beam milling of carbon nanotube yarns to study the relationship between structure and strength. Carbon. 48 (15), 4450-4456 (2010).
- Smith, B. W., Luzzi, D. E. Electron irradiation effects in single wall carbon nanotubes. J Appl Phys. 90 (7), 3509-3515 (2001).
- Banhart, F., Li, J., Terrones, M. Cutting Single-Walled Carbon Nanotubes with an Electron Beam: Evidence for Atom Migration Inside Nanotubes. Small. 1 (10), 953-956 (2005).
- Krasheninnikov, A. V., Banhart, F., Li, J. X., Foster, A. S., Nieminen, R. M. Stability of carbon nanotubes under electron irradiation: Role of tube diameter and chirality. Phys Rev B. 72 (12), 125428 (2005).
- Royall, C. P., Thiel, B. L., Donald, A. M. Radiation damage of water in environmental scanning electron microscopy. J Microsc. 204 (3), 185-195 (2001).
- Yuzvinsky, T. D., Fennimore, A. M., Mickelson, W., Esquivias, C., Zettl, A. Precision cutting of nanotubes with a low-energy electron beam. Appl Phys Lett. 86 (5), 053109 (2005).
- Liu, P., Arai, F., Fukuda, T. Cutting of carbon nanotubes assisted with oxygen gas inside a scanning electron microscope. Appl Phys Lett. 89 (11), (2006).
- Rajabifar, B., et al. Three-dimensional machining of carbon nanotube forests using water-assisted scanning electron microscope processing. Appl Phys Lett. 107 (14), 143102 (2015).
- Lassiter, M. G., Rack, P. D. Nanoscale electron beam induced etching: a continuum model that correlates the etch profile to the experimental parameters. Nanotechnology. 19 (45), 455306 (2008).
- Amama, P. B., et al. Influence of Alumina Type on the Evolution and Activity of Alumina-Supported Fe Catalysts in Single-Walled Carbon Nanotube Carpet Growth. ACS Nano. 4 (2), 895-904 (2010).
- Almkhelfe, H., Carpena-Nunez, J., Back, T. C., Amama, P. B. Gaseous product mixture from Fischer-Tropsch synthesis as an efficient carbon feedstock for low temperature CVD growth of carbon nanotube carpets. Nanoscale. , (2016).
- Maschmann, M. R., Ehlert, G. J., Tawfick, S., Hart, A. J., Baur, J. W. Continuum analysis of carbon nanotube array buckling enabled by anisotropic elastic measurements and modeling. Carbon. 66, 377-386 (2014).
- Maschmann, M. R., et al. Visualizing Strain Evolution and Coordinated Buckling within CNT Arrays by In Situ Digital Image Correlation. Adv Funct Mater. 22 (22), 4686-4695 (2012).
- Abadi, P. P. S. S., Maschmann, M. R., Baur, J. W., Graham, S., Cola, B. A. Deformation response of conformally coated carbon nanotube forests. Nanotechnology. 24 (47), 475707 (2013).
- Brieland-Shoultz, A., et al. Scaling the Stiffness, Strength, and Toughness of Ceramic-Coated Nanotube Foams into the Structural Regime. Adv Funct Mater. 24 (36), 5728-5735 (2014).
- Maschmann, M. R., Dickinson, B., Ehlert, G. J., Baur, J. W. Force sensitive carbon nanotube arrays for biologically inspired airflow sensing. Smart Mater Struct. 21 (9), 094024 (2012).
- Maschmann, M. R., et al. In situ SEM Observation of Column-like and Foam-like CNT Array Nanoindentation. ACS Appl Mater Inter. 3 (3), 648-653 (2011).
- Pathak, S., Raney, J. R., Daraio, C. Effect of morphology on the strain recovery of vertically aligned carbon nanotube arrays: An in situ study. Carbon. 63, 303-316 (2013).
- Pour Shahid Saeed Abadi, P., Hutchens, S. B., Greer, J. R., Cola, B. A., Graham, S. Effects of morphology on the micro-compression response of carbon nanotube forests. Nanoscale. 4 (11), 3373-3380 (2012).
- Maschmann, M. R. Integrated simulation of active carbon nanotube forest growth and mechanical compression. Carbon. 86, 26-37 (2015).
