基于電子束誘導(dǎo)鉑沉積的碳納米管探針制備技術(shù)研究

基于電子束誘導(dǎo)鉑沉積的碳納米管探針制備技術(shù)研究

0碳納米管探針的制備工藝1986年，資源代理等人開(kāi)發(fā)了原子力顯微鏡（afm），并在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。AFM傳統(tǒng)的硅針尖由于硬脆,極易磨損,其形狀為錐形,探針加寬效應(yīng)明顯。研究新型的、具有更高成像分辨率和更加耐磨的針尖就顯得尤為重要。碳納米管具有柱形結(jié)構(gòu),具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì),楊氏模量可以達(dá)到1.25TPa,柔韌性非常好,可以克服傳統(tǒng)硅針尖的諸多缺點(diǎn),且耐磨性好、不易污染,也不易對(duì)樣品產(chǎn)生損傷,因此可以用碳納米管來(lái)制作探針針尖加工納米管探針?lè)譃閮煞N途徑:一種是先制備出納米管,再將其裝配到傳統(tǒng)針尖的尖端;另一種是先在傳統(tǒng)針尖尖端附著催化劑,再使用化學(xué)氣相沉積的方法催化生長(zhǎng)出碳納米管本文中提出利用聚焦離子束(FIB)、電子束相結(jié)合來(lái)加工出碳納米管針尖的AFM探針的方法,并對(duì)其加工過(guò)程及工藝進(jìn)行研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)加工出滿(mǎn)足要求的樣品。聚焦離子束是將Ga本研究采用同時(shí)具有掃描電鏡和聚焦離子束功能的雙束系統(tǒng),再配合可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)三維操縱的納米顯微操縱儀,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米管針尖的精確加工。1掃描電鏡及成像加工原理實(shí)驗(yàn)所用的聚焦離子束設(shè)備,是在一臺(tái)機(jī)器中集成了高精度的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和聚焦離子束系統(tǒng),并且兩系統(tǒng)之間可以自由切換,分辨率高且非常靈活。聚焦離子束的原理與掃描電鏡的原理基本相同,都是利用電場(chǎng)加速粒子,再用電磁透鏡聚焦成納米級(jí)的高能粒子束,粒子束在掃描型電磁場(chǎng)的作用下在加工區(qū)域掃描,實(shí)現(xiàn)成像或加工。聚焦離子束的銑削原理和電子束誘導(dǎo)鉑沉積工作原理如圖2所示,離子轟擊到樣品時(shí),會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)粒子,通過(guò)傳感器接受到信號(hào)粒子后,便可以掃描區(qū)域的圖像,這便是離子束和電子束成像原理。在離子束掃描時(shí),若離子能量較大,便會(huì)將樣品表面原子轟擊掉,達(dá)到去除加工的目的。而電子束或離子束掃描時(shí),在加工區(qū)域通入特定的有機(jī)鉑氣體,在高能粒子的轟擊下,氣體會(huì)釋放出金屬鉑,這便是電子束和離子束沉積的原理。22.1聚焦離子束，誘導(dǎo)鉑沉淀，制備納米管針尖2.1.1微織構(gòu)納米針的固定先將大量碳納米管(實(shí)驗(yàn)采用單壁納米管)吸附在納米顯微操縱儀的鎢針尖上,如圖3所示。將普通的原子力顯微鏡探針固定在FIB的工作臺(tái)上,分別移動(dòng)工作臺(tái)和納米顯微操縱儀將二者靠近,在電子顯微鏡下找出鎢針尖上的某根突出的納米管使其搭在AFM的針尖上(實(shí)驗(yàn)中采用已被磨損的AFM硅針尖),采用鉑沉積將納米管粘接在AFM針尖上,移動(dòng)納米顯微操縱儀使其與被粘接的納米管脫離或?qū)⒓{米管拉斷形成針尖,這就完成了納米管的粘接固定。2.1.2粘連碳納米管及其拉斷1)用離子束鉑沉積粘接時(shí)也會(huì)在非粘接區(qū)域形成鉑沉積,使納米管變粗,影響針尖使用性能,這主要是由于離子束能量較大,束斑也較大,使用于沉積的氣體所析出過(guò)多的鉑引起。2)用離子束鉑沉積粘接要求粘接得很牢固,否則在牽拉使納米管脫離鎢針尖的過(guò)程中會(huì)使粘接部分被拉開(kāi),使實(shí)驗(yàn)失敗。圖4所示為粘接碳納米管及其拉斷過(guò)程。在圖4中,隨著鎢針尖與硅針尖的遠(yuǎn)離,被粘接的納米管在較脆弱的部位被拉斷。3)用離子束截?cái)嗉{米管時(shí),應(yīng)選取合適的離子參數(shù),若離子能量太小,則很難實(shí)現(xiàn)截?cái)嗟哪康?若離子能量太大,則會(huì)將整個(gè)納米管轟擊掉。在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于單壁碳納米管采用的離子加速電壓為5～10kV、離子束流為10～30pA,對(duì)多壁碳納米管則需將加速電壓提高到30kV。4)在實(shí)驗(yàn)中,離子束被用來(lái)成像、為納米管掃描定向以及轟擊截?cái)?但由于離子束本身的加工特點(diǎn),無(wú)論哪種模式都會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生損傷,影響加工的精確性。例如單壁碳納米管是由碳原子形成的排列規(guī)則的管狀結(jié)構(gòu),離子束轟擊后就有可能使納米管壁上的某些碳原子被打掉或位置移動(dòng),破壞了納米管的原始結(jié)構(gòu),這對(duì)納米管的各項(xiàng)性能都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。2.2電子束和離子束組成的探針為了克服離子束的缺點(diǎn),應(yīng)在整個(gè)加工過(guò)程中減少離子束的使用,考慮用電子束鉑沉積代替離子束鉑沉積,消除了沉積過(guò)程中離子束對(duì)納米管的損壞。由于電子束能量很小,不能通過(guò)照射使納米管彎曲以調(diào)整角度,更不能進(jìn)行轟擊截?cái)?因此,制備中還需使用離子束,但應(yīng)采取更加合理的離子參數(shù),減少不良影響。電子束沉積雖然效率稍低,但由于電子束束斑比離子束小很多,可以實(shí)現(xiàn)更精確、損傷更小的加工,并且實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)可采用電鏡進(jìn)行觀察,通過(guò)電子束和離子束之間的靈活切換實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的加工。實(shí)驗(yàn)中是將電子束的成像特性、高精度鉑沉積特性和聚焦離子束對(duì)納米管的截?cái)嗯c取向調(diào)整功能相結(jié)合,以最大程度地提高加工精度和減少加工時(shí)對(duì)樣品的損傷。實(shí)驗(yàn)中先將碳納米管吸附在納米顯微操縱儀的鎢針尖上,傳統(tǒng)的AFM探針固定在FIB工作臺(tái)上,使兩者針尖相互接近,將兩針尖的接觸點(diǎn)調(diào)整到電子束與離子束的交點(diǎn),在此處,電子束和離子束可對(duì)同一區(qū)域成像,這樣就可以在電子束和離子束相互切換時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品同一區(qū)域的觀察和加工。本實(shí)驗(yàn)采用電子束鉑沉積,由于電子束具有更小的束斑半徑、更小的能量,可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的納米管粘接,粘接過(guò)程中對(duì)樣品的損傷也將減小,納米管的變粗現(xiàn)象也比用離子束粘接時(shí)減小很多。圖5所示為應(yīng)用電子束鉑沉積粘接得到的單壁碳納米管針尖。由圖5中可看出,單壁碳納米管的直徑為?10nm,由于單壁碳納米管長(zhǎng)徑比很大,在電鏡下納米管的尖端發(fā)生振動(dòng),由圖5b中可清楚觀察到由于針尖振動(dòng)而引起的SEM成像模糊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可看出,利用電子束鉑沉積可明顯減小沉積中的納米管變粗現(xiàn)象,更容易得到高分辨率的AFM探針。3微織構(gòu)非離子束探針的離子束和離子束在離子束和電子束之間位置的相納米管探針粘接之后,需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)度和角度的調(diào)整優(yōu)化,提高其性能和分辨率。首先將其在小束流離子束下照射,在FIB高能離子的照射下,納米管的角度發(fā)生變化,不斷彎向FIB照射方向,直到最后納米管平行于FIB方向納米管探針長(zhǎng)度優(yōu)化可通過(guò)FIB工作臺(tái)和納米三維操縱儀調(diào)整納米管方位,使其與離子束垂直,再利用離子束高分辨率銑削功能將其截到合適的長(zhǎng)度聚焦離子束能量比較大,電子束能量較小,應(yīng)盡量減小聚焦離子束對(duì)樣品的照射時(shí)間,應(yīng)精確調(diào)整電子束與離子束的交點(diǎn),若不能精確調(diào)整,則在電子束模式切換到離子束模式時(shí),需要更多的離子成像以調(diào)整樣品在離子束視角下的位置。另外,用離子束觀察時(shí),應(yīng)采用單幀掃描觀察,減少離子對(duì)樣品的損傷,而電子束照射樣品時(shí)對(duì)樣品的損傷幾乎可以忽略,所以可用電子束的部位就不用聚焦離子束。4基于聚焦離子束加工和照射的納米表征1)通過(guò)聚焦電子束誘導(dǎo)鉑沉積實(shí)現(xiàn)