Лабораторная работа была разработана в Центре Нанотехнологии в Электронике Московского Института Электронной Техники (Технический Университет)
1. Цели работы .......................................................................................................................... 1
2. Информация для преподавателя ...................................................................................... 2
3. Содержание работы ............................................................................................................. 2
4. Методические указания ..................................................................................................... 10
5. Техника безопасности ......................................................................................................... 10
6. Задание ................................................................................................................................... 10
7. Контрольные вопросы ........................................................................................................ 11
8. Литература ............................................................................................................................ 12
1. Цели работы
1. Получение практических навыков работы с отдельными молекулами на примере углеродных нанотрубок. Знакомство с их свойствами и изучение основных характеристик.
2. Изучение особенностей сканирования слабозакрепленных наноразмерных объектов на поверхности. Получение топографии углеродных нанотрубок на поверхности кремниевой подложки.
3. Оценка радиуса закругления по изображению нанотрубок.
2. Информация для преподавателя
Наблюдение углеродных нанотрубок является одним из высших достижений для СЗМ NanoEducator и требует проявления высокого искусства от работающих на микроскопе операторов.
Работа состоит из двух частей, выполняемых на одном занятии (4 часа). Первая часть работы заключается в получении изображения углеродных нанотрубок на поверхности методом атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме.
Вторая часть работы заключается в оценке радиуса острия зонда по изображению нанотрубок.
Принципиальным для получения изображения является радиус острия зонда – он должен быть не более 150 нм. В связи с этим до начала работы необходимо подобрать зонды с соответствующим радиусом острия для каждого студента. Для этого целесообразно предварительно определить форму зонда на тестовой решетке TGT1.
Образцы для исследования: тестовые образцы, содержащие углеродные нанотрубки. Отличительной особенностью тестового образца, содержащего углеродные нанотрубки, является наличие слабо закрепленных объектов (нанотрубок) на планарной поверхности (полированной кремниевой подложке).
Тестовые образцы с углеродными нанотрубками рассчитаны на работу и хранение в чистых условиях не более 1 года. Тем не менее, желательно, по мере необходимости проводить отжиг структуры при температуре 500 ºС в течении нескольких минут.
3. Содержание работы
- Углеродные нанотрубки: структура, физические свойства.
- Получение изображения углеродных нанотрубок на поверхности.
- Оценка радиуса закругления острия по изображению углеродных нанотрубок.
Введение
Нанотрубки сегодня являются одним из перспективных наноматериалов для внедрения в наноиндустрии. Свойства данного вида молекул необычны и во многом уникальны. В связи с этим, в российских и зарубежных публикациях постоянно появляются работы, связанные с обнаружением новых свойств или созданием новых уникальных приборов на основе нанотрубок. В области электроники ведутся интенсивные исследования по созданию наноэлементов, активной частью которых являются нанотрубки [1]. На стадии промышленного внедрения находятся исследования эмиссионных и адсорбционных свойств нанотрубок.
За последние десять лет работы, посвященные свойствам нанотрубок, были систематизированы и сведены в нескольких монографиях. Однако, развитие индустриальной субмикронной технологии на основе новых материалов, станет возможным только после скрупулезной отработки методов получения структур и рабочих элементов в лабораторных условиях. Поэтому необходимость разработки надежной и воспроизводимой технологии формирования подобных элементов, всестороннего изучения параметров их функционирования, а также усовершенствования методов зондовой микроскопии для исследования объектов наноэлектроники при решении более широкого круга задач определяет актуальность данной лабораторной работы.
Основные параметры, характеризующие свойства нанотрубок
До 1985 года об углероде было известно, что он может существовать в природе в двух аллотропных состояниях: 3D форме (структура алмаза) и слоистой 2D форме (структура графита). Тогда стала известна новая 0D форма углерода: сферическая структура из 60 атомов углерода [2]. Из-за сходства формы новых образований с геодезическими зданиями, спроектированными и построенными архитектором Р. Бакминстером Фуллером (R. Buckminster Fuller), углеродные кластеры стали известны как «бакминстер-фуллерены» ( “buckminsterfullerence” ) или просто «bucky ball». Данная новая форма углерода была открыта во время экспериментов по лазерному испарению. Спектральный масс-анализ показал присутствие кластеров с четным числом атомов углерода для n>40, с четким пиком для C60. Все молекулы C60 со структурой в виде каркаса стали называть фуллеренами.
Рис. 9-1. Первые изображения нанотрубок: a) - ПЭМ фотография многослойных нанотрубок с различными диаметрами (d) и количеством слоев(N): N=5, d=6,7 нм (слева); N=2, d=5,5 нм (справа) [3]; б) - СТМ изображение ультратонкой наноструктуры углерода, нанесенной на поверхность (001) графита [4]
В 1991 году, Иижима [3] обнаружил другую новую 1D форму углерода: продолговатые трубчатые образования, названные «нанотрубками» (рис. 9-1а). Следует отметить, что примерно в это же время российские ученые объявили об открытии нанотрубок и их связок [4], имеющих, однако, намного меньший коэффициент отношения длины к диаметру и напоминавших скорее продолговатые фуллерены (рис. 9-1б). Данные структуры состоят из сетки атомов углерода в форме гексагонов, и могут рассматриваться как цилиндр, скрученный из планарной графитовой плоскости.
Нанотрубки обладают уникальными свойствами (полный обзор свойств нанотрубок можно найти в [5, 6]). Так, они имеют очень малую массу и в то же время рекордно высокий модуль упругости (до 1 ТПа [7]). Нанотрубки на данный момент являются прочнейшими волокнами, которые когда-либо могли быть созданы. При этом их можно произвольно закручивать: они не ломаются, а только гнуться. Данное свойство было успешно применено для использования нанотрубок в производстве зондов для атомно-силовой микроскопии [8].
Существует только два способа образования высокосимметричных углеродных нанотрубок. Такие трубки известны как нанотрубка типа “zigzag” и типа “armchair”. Остальные нанотрубки называются хиральными.
Однослойную углеродную нанотрубку часто представляют в виде листа графита, моноатомной толщины, свернутого в цилиндр. На рис 9-2 представлено схематическое изображение атомной структуры плоскости графита, и показано, каким образом из нее можно получить нанотрубку.
Рис. 9-2. Схематическое изображение атомной структуры графеновой плоскости. Способы образования однослойной нанотрубки
Наиболее просто нанотрубку можно описать с помощью вектора, соединяющего два атома на графитовом листе. Цилиндр получается при сворачивании данного листа таким образом, чтобы совмещались начало и конец такого вектора. Данный вектор можно выразить через базисные вектора элементарной ячейки графенового листа C = na1 + ma2, при этом принято, что n ≥ m. Каждая пара чисел (n,m) представляет возможную структуру нанотрубки.
Таким образом симметричные нанотрубки – типа “zigzag” и “armchair” представляются векторами (n,0) и (n,n) соответственно.
Нанотрубки также могут характеризоваться диаметром и углом хиральности. Хиральным углом нанотрубки называется угол между осью трубки и рядами наиболее плотно упакованных атомов. Из геометрических соображений легко вывести зависимости для хирального угла и диаметра нанотрубки:
,
где - постоянная решетки (=1,41 Å).
Пара целых чисел (n,m) однозначно соответствует паре значений (q,d). На практике обычно измеряется именно диаметр и угол хиральности нанотрубки и переводится потом в более наглядные и понятные векторные обозначения.
Одиночная трубка обычно называется однослойной нанотрубкой (ОСНТ). Известный наименьший диаметр нанотрубки 0.7 нм, что является диаметром молекулы фуллерена C60. Нанотрубки, состоящие из коаксиальных графитовых цилиндров, с расстоянием между слоями 0.34 нм, называются многослойными нанотрубками (МСНТ).
Нанотрубки за счет сил Ван-дер-Ваальса при производстве обычно соединяются в пучки. В свою очередь, произвольно расположенные пучки образуют сетки.
Получение изображения углеродных нанотрубок на приборе NanoEducator
После вызова программы NanoEducator на экране компьютера появляется главное окно. Выполните команду File New. Выберите конфигурацию СЗМ: сканирующий силовой микроскоп (ССМ).
Внимание! Несмотря на то, что нанотрубки являются проводящими ток структурами, они нанесены на окисленную кремниевую подложку и сканирование в режиме СТМ невозможно.
Установите образец с углеродными нанотрубками на сканирующий столик.
Подготовьте сканирующий зонд. Установите зондовый датчик.
Выберите место сканирования. Нанотрубки нанесены на поверхность подожки равномерно со средней плотностью 1-5 штук на мкм2, однако, следует избегать сканирования по краям образца на расстоянии 1 мм в связи с возможным присутствием загрязнений.
Выполните ручной подвод к образцу.
Выполните поиск резонансной частоты (ADJUST.RESONANCE) в ручном режиме (Manual). При этом амплитуда колебаний, задаваемых генератором (Oscillation Amplitude) должна быть не нулевой (в диапазоне 20-50 мВ). Коэффициент усиления амплитуды (AM Gain) должен быть выбран оптимально, чтобы обеспечивать достаточной величину амплитуды колебаний зонда (около 5 В) Сначала найдите резонансную частоту в грубом режиме (Rough) (рис. 9-3а). Далее убедитесь в плавности пика в более точном приближении (Fine) (рис. 9-3б). В случае недостаточной плавности пика проверьте, хорошо ли прикреплен зондовый картридж и варьируйте напряжение, задаваемое генератором, до тех пор, пока не добьетесь плавности.