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碳纳米管原子力显微镜探针制备方法与应用研究

作　者: 高海峰
导　师: 徐宗伟
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 原子力显微镜探针 碳纳米管探针 电子束诱导铂沉积 横向刚度 假象 聚焦离子束 扫描电镜
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


自1996年首次提出将碳纳米管(carbon nanotube, CNT)作为原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)探针以来，碳纳米管探针的制备、表征等研究得到了广泛关注，目前制约CNT探针应用的核心问题是制备效率较低和探针成像假象。本文系统研究碳纳米管原子力显微镜探针(Carbon Nanotube Atomic ForceMicroscope Probe, CNT探针)的制备工艺，基于扫描电镜(Scanning ElectronMicroscope, SEM)和聚焦离子束(Focused Ion Beam, FIB)系统的双束系统以及纳米操纵仪显微制造及操纵平台，将CNT探针的制备工艺分为CNT探针组装以及CNT探针几何参数控制两大技术要素。通过优化CNT载体和扫描电镜的相关工作参数实现CNT探针的高效组装。优化了电子束诱导铂沉积工艺(Electron BeamInduced Deposition, EBID)的效率，并利用其实现CNT和原子力显微镜硅探针针尖的结合强度优化。CNT探针的关键几何参数包括CNT的角度、直线度以及长度等参数，使用聚焦离子束辐照进行CNT的角度和直线度控制，通过优化聚焦离子束的能量和束流等参数最大程度地减小FIB对CNT的管身带来的损伤；研究使用纳米刀技术进行CNT截断，实现了CNT探针长度的高精度控制。通过AFM表征和SEM原位观测发现，对于大长径比的CNT探针而言，由于其横向刚度过低，CNT探针在与样品接触过程中，会发生显著的吸附-粘附-弯曲-抬离的相互作用，使得大长径比CNT探针不可避免的产生成像假象。因此论文在系统分析成像假象产生机理的基础上，提出并系统研究使用EBID进行碳纳米管管身的局部横向刚度增强以消除成像假象，解决了成像假象对CNT探针应用带来的制约。通过FIB加工技术得到一系列典型的微纳米沟槽，系统分析了较小长径比CNT探针和经横向刚度增强后的大长径比CNT探针之间成像性能的差异以及CNT探针相对于普通硅探针的优势，发现使用本文提出的横向刚度增强技术得到的CNT探针具有良好的成像性能。

全文目录


中文摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-19
  1.1 原子力显微镜的介绍  8-12
    1.1.1 AFM 的介绍  9
    1.1.2 AFM 的组成和基本工作原理  9-12
    1.1.3 针尖对于 AFM 性能的影响  12
  1.2 CNT 探针的研究现状  12-17
    1.2.1 碳纳米管探针介绍  12-13
    1.2.2 碳纳米管探针的制备现状  13-14
    1.2.3 CNT 探针参数控制  14-17
    1.2.4 碳纳米管的应用研究现状  17
  1.3 本课题的研究内容和思路  17-19
第二章 CNT 探针的组装工艺优化  19-32
  2.1 CNT 的组装工艺优化  20-23
  2.2 电子束诱导铂沉积工艺优化  23-28
  2.3 CNT 和 Si 探针针尖的结合力优化  28-29
  2.4 SWNT 探针的尝试与论证  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 CNT 探针几何参数控制  32-41
  3.1 CNT 角度和直线度控制  32-36
  3.2 长度控制  36-40
    3.2.1 CNT 长度对探针性能的影响  36-37
    3.2.2 “纳米刀”高精度截断 CNT  37-40
  3.3 本章小结  40-41
第四章 CNT 探针成像假象研究与假象消除  41-52
  4.1 成像假象研究  41-45
    4.1.1 成像假象介绍  41
    4.1.2 双刚度模型  41-42
    4.1.3 相互作用力与机理解释  42-45
  4.2 CNT 探针横向刚度增强技术  45-51
    4.2.1 有效性论证  46-47
    4.2.2 CNT 探针横向刚度增强技术的工艺优化  47-50
    4.2.3 成像检验  50-51
  4.3 小结与展望  51-52
第五章 CNT 探针对典型微纳米结构的检测  52-61
  5.1 微纳米结构的聚焦离子束加工  52-56
    5.1.1 聚焦离子束系统结构和基本原理  52
    5.1.2 工艺优化  52-55
    5.1.3 微纳结构的加工  55-56
  5.2 CNT 探针成像性能验证  56-60
    5.2.1 标准件的探测  56-57
    5.2.2 纳米细线的探测  57-58
    5.2.3 凹槽结构的探测  58-60
  5.3 本章小结  60-61
第六章 总结与展望  61-63
  6.1 工作总结  61
  6.2 工作展望  61-63
参考文献  63-66
发表论文和参加科研情况说明  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 显微镜
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