Точность Фрезерование углеродная нанотрубка лесов Использование низкого давления Сканирование электронной микроскопии

Углеродные нанотрубки (УНТ) и графена углеродных наноматериалов, которые привлекли значительное внимание из-за их высокой прочностью, долговечностью, тепловые и электрические свойства. Точность обработки углеродных наноматериалов стала развивающейся темой исследований и предлагает потенциал инженера и манипулировать этими материалами в направлении различных инженерных приложений. Обработка УНТ и графен требует наноразмерных пространственной точностью, чтобы сначала найти область наноразмерных интереса, а затем выборочно удалять только материал в пределах зоны интереса. В качестве примера рассмотрим обработку вертикально ориентированных углеродных нанотрубок лесов (также известный как CNT массивов). Поперечное сечение НКТ лесов могут быть точно определены литографической структурирование каталитических пленок. Верхняя поверхность вертикально ориентированных лесов, однако, часто плохо заказано с неравномерной высоты. Для получения поверхностно-чувствительных приложений, таких как термоинтерфейса материалов, тон неровная поверхность может препятствовать оптимального контакта с поверхностью и привести к снижению производительности устройства. Точность подрезка неровной поверхности, чтобы создать единую плоскую поверхность потенциально может предложить лучше, более повторяемые производительность, увеличивая доступную площадь контакта.

Методы точность обработки для наноматериалов часто не похожи на обычные макромасштабное механические технологии обработки, такие как сверление, фрезерование и полировки с помощью закаленной инструментальной оснастки. На сегодняшний день методы, использующие энергетические лучи были наиболее успешными на площадке селективного фрезерования углеродных наноматериалов. Эти методы включают в себя лазер, электронный луч и сфокусированный пучок ионов (FIB) облучение. Из них методы лазерной обработки обеспечивают максимальную скорость съема материала быстрого ^{1, 2;} Тем не менее, размер пятна лазерных систем составляет порядка многих микрон и является слишком большим, чтобы изолировать нанометровых объекты, такие как единый углерода пanotube сегмент в густонаселенном лесу. В отличие от этого, системы электронного и ионного пучка образуют луч, который может быть сфокусирован в пятно, которое несколько нанометров или менее в диаметре.

Системы FIB специально разработаны для наноразмерных фрезерования и осаждения материалов. Эти системы используют энергичный пучок ионов газообразных металлов (обычно галлий) для распыления материала из выбранной области. FIB фрезерование УНТ достижимо, но часто с непреднамеренными побочными продуктами , включая галлий и углерода переотложения в окружающих участков леса ^{3, 4.} Когда метод используется для CNT лесов, переотложенной материальные маски и / или изменяет морфологию выбранного фрезерной области, изменяя родной внешний вид и поведение леса CNT. Галлий может также имплантировать в НКТ, обеспечивая электронное допинг. Такие последствия часто делают FIB на основе фрезерной непомерно высокой для CNT лесов.

<p class="Jove_content"> просвечивающий электронный микроскоп (TEMS) используют тонко сфокусированный пучок электронов, чтобы исследовать внутреннюю структуру материалов. Ускорение напряжения для работы ПЭМ обычно находится в диапазоне от 80-300 кВ. Поскольку цепную энергия УНТ составляет 86,4 кэВ ^5, электронная энергия , производимая с помощью ПЭМ достаточно , чтобы непосредственно удалить атомы из решетки CNT и вызывают сильно локализованы фрезерование. Методика мельницы УНТ с потенциально субнанометровым точностью ^{5, 6, 7;} Тем не менее, этот процесс идет очень медленно – часто требует минут до мельницы один CNT. Важно то, что ПЭМ на основе фрезерных подходы требуют, чтобы углеродные нанотрубки сначала удален из ростового субстрата и диспергируют на ТЕМ сетке для обработки. В результате ПЭМ на основе методов, как правило, не совместимы с CNT лесной размола, в котором углеродные нанотрубки должны оставаться на жесткой подложке.

Фрезерование CN T леса с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEMS) также получил внимание. В отличие от TEM на основе методов, SEM инструменты, как правило, не в состоянии ускорять электроны с энергией, достаточной для придания цепную энергии, необходимой для непосредственного удаления атомов углерода. Скорее всего, методы, основанные на СЭМ используют электронный луч в присутствии газообразного окислителя низкого давления. Электронный пучок избирательно повреждает решетки CNT и может диссоциируют газообразный эмбиент в более активные формы , такие как H ₂ O ₂ и гидроксильный радикал. Водяной пар и кислород являются наиболее часто встречающимся газы для достижения селективного травления области. Поскольку методы СЭМ на основе опираются на химический процесс многоступенчатая, многочисленных центрах обработки переменные могут влиять на скорость фрезерования и точность процесса. Ранее было установлено, что увеличение напряжения ускорения и тока пучка непосредственно увеличивают скорость фрезерования из-за повышенного потока энергии, как и ожидалось"Xref"> 11. Влияние давления в камере менее очевидна. Давление, что слишком низкое страдает от недостатка окислителя, уменьшение скорости фрезерования. Кроме того, чрезмерная обилие газообразных частиц, рассеивает пучок электронов и уменьшает поток электронов в области фрезерования, а также уменьшение скорости удаления материала.

Для оценки скорости удаления углерода, подход , аналогичный тому , который используется Lassiter и стойки ¹² работал, в результате чего электроны взаимодействуют с молекулами предшественников вблизи поверхности , чтобы генерировать активные формы , которые травление поверхности подложки. Из этой модели, скорость травления оценивается как

где N _A является поверхностная концентрация травителя видов, Z является поверхностная концентрация свободных участков реакции, х является фактором стехиометрии , связывающий летучий травлениепродукты , полученные по отношению к реагентам, А _σ представляет вероятность генерирования желаемых травление видов из столкновения пара электрон-вода, и ТЕ является поток электронов на поверхности. Факторы х и _сг предполагаются равными единице, в то время как Z считается почти постоянным и значительно больше , чем NA. Более подробную информацию можно найти в нашей предыдущей работе. ¹¹

В этой статье процедура исследуется, использующая водяной пар низкого давления в РЭМ фрезеровать регионах, начиная от индивидуальных УНТ до большого объема (десятки кубических микрометров) удаления материала. Здесь мы покажем технику, используемую для мельниц CNT лесов с использованием ESEM путем использования восстановленных прямоугольников, площадь сканирования горизонтальной линии, а также программно-управляемой растрирования электронного пучка. Дополнительное программное обеспечение и аппаратные средства, необходимые для получения изображения, как указано в списке материалов. Основной упор делается на удалении по отношениюLY большие (100 из кубических микрон) объем материала из леса CNT, так что следующие условия обработки являются относительно агрессивной.

При обработке образца и образец заглушки, важно, чтобы носить одноразовые перчатки. Это предотвратит масла, передаваемую на заглушке или образца и, следовательно, ухудшение эффективности насосов.