Precisie Frezen van koolstof nanobuis Bossen Met behulp van Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Carbon nanotubes (CNTs) en grafeen koolstofbasis nanomaterialen die veel aandacht hebben getrokken vanwege hun superieure sterkte, duurzaamheid, thermische en elektrische eigenschappen. Precisie bewerking van koolstof nanomaterialen is uitgegroeid tot een opkomende onderwerp van het onderzoek en biedt de mogelijkheid om te ontwerpen en te manipuleren van deze materialen in de richting van een verscheidenheid van technische toepassingen. Machining CNTs en grafeen vereist nanoschaal ruimtelijke precisie om eerst een nanoschaal gebied van belang te lokaliseren en vervolgens alleen het materiaal selectief te verwijderen binnen het aandachtsgebied. Als bijvoorbeeld de bewerking van verticaal georiënteerde CNT bossen (ook bekend als CNT arrays). De doorsnede van CNT bossen kan nauwkeurig worden bepaald door lithografische patroonvorming katalysator films. Het bovenoppervlak van de verticaal georiënteerde bossen zijn echter vaak slecht besteld met niet-uniforme lengte. Voor oppervlakte-gevoelige toepassingen zoals thermische tussenmaterialen, tHij onregelmatig oppervlak kan een optimaal contact met het oppervlak belemmeren en de prestaties van het apparaat te verminderen. Precisie trimmen van de onregelmatig oppervlak om een ​​uniforme vlakke ondergrond te maken zou kunnen bieden een betere, meer herhaalbare prestaties door het maximaliseren van de beschikbare contact gebied.

Precisiebewerking technieken voor nanomaterialen vaak niet lijken op conventionele macroschaal machinale technologieën, zoals boren, frezen en polijsten door middel van gehard tooling. Tot op heden zijn technieken waarbij energetische stralen meest succesvol bij plaats-selectieve frezen koolstof nanomaterialen. Deze technieken omvatten laser, elektronenstraal en gefocusseerde ionenbundel (FIB) bestraling. Van deze laser verspanende technieken zorgen voor de meest snelle afname ^{1, 2;} De puntgrootte van lasersystemen in de orde van vele micron en is te groot om nanometerschaal entiteiten aspecten, zoals een enkele koolstof nanotube segment binnen een dichtbevolkt bos. Daarentegen elektronenbundel en ionenbundel systemen een balk die kunnen worden gericht op een plek die verscheidene nanometers of kleiner in diameter.

FIB-systemen zijn speciaal ontworpen voor nanoschaal frezen en afzetting van materialen. Deze systemen maken gebruik van een energetische straal van gasvormige metaalionen (meestal gallium) materiaal sputteren van een geselecteerd gebied. FIB frezen van CNT is haalbaar, maar vaak met onbedoelde bijproducten waaronder gallium en koolstof opnieuw afzetten in de omliggende regio's van het bos ^{3, 4.} Wanneer de techniek wordt gebruikt voor de CNT bossen, het opnieuw afgezet materiaal maskers en / of verandert de morfologie van geselecteerde frezen regio, het veranderen van de inheemse uiterlijk en gedrag van de CNT bos. De gallium kan ook implanteren binnen de CNT, die elektronische doping. Dergelijke consequenties maken vaak FIB-gebaseerde frezen onbetaalbaar voor CNT bossen.

<p class="Jove_content"> transmissie elektronenmicroscopen (TEM) gebruiken een fijn gefocusseerde elektronenstraal de interne structuur van materialen sonde. Versnelling spanningen voor TEM operatie variëren doorgaans 80-300 kV. Omdat de domino-energie van CNTs is 86,4 keV ^5, het elektron energie die door TEM is voldoende om direct atomen te verwijderen uit de CNT rooster en veroorzaken zeer plaatselijk frezen. De techniek molens CNTs met potentieel sub-nanometerprecisie ^{5, 6, 7;} Het proces is zeer langzaam – vaak vereisend minuten frezen één CNT. Belangrijker-TEM gebaseerde frezen benaderingen vereisen CNTs eerst een groeisubstraat verwijderen en gedispergeerd op een TEM rooster voor verwerking. Hierdoor TEM-gebaseerde methoden die in het algemeen niet verenigbaar met CNT bos malen waarbij de CNT's op een stijf substraat moeten blijven.

Frezen van CN T bossen door scanning elektronenmicroscopen (SEM) heeft ook de aandacht. In tegenstelling tot TEM-gebaseerde technieken, SEM instrumenten gewoonlijk niet in staat om elektronen voldoende energie versnellen om de domino-energie voor koolstofatomen direct verwijderen geven. Veeleer SEM-gebaseerde technieken gebruiken een elektronenstraal in aanwezigheid van een lage-druk gasvormig oxidatiemiddel. De elektronenbundel selectief schade CNT rooster en kan de gasvormige omgevingstemperatuur in meer reactieve species zoals H ₂ O ₂ en de hydroxylradicaal dissociëren. Waterdamp en zuurstof zijn de meest gemelde gassen aan selectieve gebied etsen te bereiken. Omdat de SEM-gebaseerde technieken vertrouwen op een meerfase-chemisch proces, kunnen talrijke bewerkingsvariabelen het malen snelheid en nauwkeurigheid van de werkwijze beïnvloeden. Eerder is opgemerkt dat verhoging versnellingsspanning en bundelstroom het malen snelheid rechtstreeks verhogen vanwege een hoger energie flux, zoals verwacht"xref"> 11. Het effect van kamerdruk minder duidelijk. Een druk te lage lijdt aan een deficiëntie van het oxidatiemiddel, het verminderen van de snelheid frezen. Verder is een overvloed aan gasvormige soorten verstrooit de elektronenbundel en vermindert de electronenflux in het frezen regio, ook het verminderen van de afname.

Om de carbon afneemvermogen, een aanpak die vergelijkbaar is met die van Lassiter te schatten en Rack ¹² werd gebruikt, waarbij elektronen interactie met voorloper moleculen in de buurt van het oppervlak reactieve soorten die het substraatoppervlak etsen te genereren. Van dit model wordt de etssnelheid geschat

waarbij N _A de oppervlakteconcentratie van het etsmiddel species, Z de oppervlakteconcentratie beschikbare reactieplaatsen, x een stoichiometrie factor betreffende de vluchtige etsenproducten leverden opzichte van de reactanten, A _σ vertegenwoordigt de waarschijnlijkheid van het genereren van de gewenste etsen soorten om elektronen waterdamp botsing en yE de electronenflux aan het oppervlak. De factoren van x en A _σ wordt aangenomen dat de eenheid, terwijl Z verondersteld nagenoeg constant en aanzienlijk groter dan NA is. Nadere informatie kan worden gevonden in onze eerdere werk. ¹¹

In dit artikel wordt een procedure onderzocht die lage druk waterdamp gebruikt binnen een SEM te frezen regio's, variërend van individuele CNT tot groot volume (tientallen kubieke micrometer) materiaal te verwijderen. Hier laten we de techniek frezen CNT bossen met een ESEM door het gebruik van verlaagde gebied rechthoeken, horizontale lijn scans en softwaregestuurde rastering van de elektronenbundel. Extra software en hardware vereist voor patroonopwekking, zoals beschreven in de Materialen List. De nadruk wordt gelegd op het wegnemen van de relatievely groot (100's kubieke micron) materiaal volume van een CNT bos, dus de volgende verwerking omstandigheden, vrij agressief.

Bij het hanteren van het monster en het monster stub, is het belangrijk om disposable nitril handschoenen. Dit voorkomt dat olie niet meer naar de stub of monster en dientengevolge verslechtert de doelmatigheid van de pompen.