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El Microscopio Electrónico Basó la Fabricación y la Prueba Nano-Mecánica

Por Profesor Gurpreet Singh

Gurpreet Singh, Departamento del Profesor Adjunto, Mecánica y Nuclear de la Ingeniería, 3002 Rathbone Pasillo, Universidad de Estado de Kansas Manhattan, Kansas 66506, los E.E.U.U.
Autor Correspondiente: gurpreet@ksu.edu

La investigación temprana que implicaba la manipulación y la prueba nano-mecánica de nanostructures individuales fue demostrada por medio del microscopio atómico de la fuerza (AFM) y el microscopio el hacer un túnel de la exploración (STM) basó los sistemas [1-4]. Por primera vez, estos microscopios permitieron la observación así como la acción recíproca de la escala del sub-nanómetro con el espécimen. La mayor parte del trabajo que implicaba propiedades mecánicas fundamentales de nanotubes fue hecho por manipulaciones superficiales basadas AFM en un substrato planar. Usando una punta sostenida de la microscopia, los nanotubes individuales podían ser situados y ser transportados laminando y deslizando; podrían ser cortados final a la talla correcta (activando). La ventaja de la oferta de Estos microscopios en términos de resolución pero allí es una desventaja importante a cualquier estrategia basada AFM/STM de la manipulación; la falta de proyección de imagen en tiempo real y la limitación de la manipulación a las superficies planares, que hace algunas operaciones imposibles.

En los años últimos, el microscopio electrónico de exploración (SEM), el microscopio enfocado del haz de ión (BOLA) y el microscopio electrónico de la transmisión (TEM) basado los sistemas de la nano-manipulación han comenzado a reemplazar el AFM (sistemas basados) [5-8]. SEM/FIB ofrece la manipulación tridimensional de las nano-estructuras en tiempo real. El compartimiento más espacioso de esta clase de microscopio permite el montaje de un espécimen más grande. Aunque la resolución proporcionara por SEM sea un orden de magnitud menos que el de un TEM o de un AFM, él generalmente se considera bastante bueno para la selección, la separación, la manipulación, el ensamblaje así como la prueba de dispositivos nano-mecánicos.

Nuestro grupo de investigación ha estado implicado en SEM y la manipulación basada BOLA para la evaluación de la propiedad mecánica así como la fabricación fundamentales dispositivos del prueba-de-principio del ` los'. Desde la fabricación entera y la prueba se realiza bajo vista directa de SEM, allí sigue siendo poca ocasión para la ambigüedad en los datos experimentales. El Dr. Singh y sus personas [7-8] ha demostrado la fabricación y la prueba a dos dispositivos basados (NT) nanotube del individuo: a) un dispositivo individual de NT/sphere para el uso como sensor de la fuerza [7] y b) un nano-cuchillo del micrótomo CNT del prototipo para seccionar de los materiales biológicos [8].

Cuadro 1: los Nano-Dispositivos fabricados y probados por medio de SEM basaron el sistema del nanomanipulation. (a) El dispositivo del sensor de la fuerza de NT/sphere, considera la referencia [7] para los detalles. (b) El nano-cuchillo del prototipo del nanotube del Carbón, ve la referencia [8] para los detalles.

El dispositivo de NT/sphere incorpora un borde de la microesfera del poliestireno asociado a un nanotube multi-emparedado individuo del carbón (MWCNT), mostrado en Fig. 1 (a). El dispositivo tiene aplicaciones en estudiar comportamiento de la deformación de la célula midiendo la desviación de la esfera ópticamente, puesto que la esfera es bastante grande ser detectada exactamente con los métodos ópticos [7,9]. Hemos continuado trabajar con los grupos de investigación en el National Institute of Standards and Technology (Confiabilidad de los Materiales y División de la Optoelectrónica) para explorar nuevas aplicaciones de este dispositivo y hemos podido hasta ahora demostrar: (a) la calibración del sensor para bajar mucho el rango del piconewton de las fuerzas es decir, y (b) Utilizando la ordenación de NT/sphere para emular a un núcleo de célula para la calibración estudia usando la tomografía óptica de la coherencia (OCT) [9].

El dispositivo del nano-cuchillo del prototipo consiste en un CNT estirado entre dos agujas del tungsteno (ligadas en un substrato de cristal). Las pruebas de carga transversal "in-situ" en el nano-cuchillo indicaron que el incidente estaba en la soldadura (el CNT era inafectado por la fuerza aplicada), mostrada en Fig. 1 (b). La fuerza Medida del dispositivo era ~0,14 GPa, correspondiente a una soldadura que rompía la fuerza de ~10-7 N. Mientras Que los experimentos que cortaban se realizaron en las marcas mostradas oro-revestidas del epon de la resina de un sangrado de márgenes del espécimen (plastificante biológico de la célula) debido a NT [7].

Cuadro 2: El probador de tensión basado MEMS que estira un MWCNT individual (dejado) y el gráfico correspondiente de la tensión-deformación (correcto), ve la referencia [10] para más detalles.

Nuestra investigación actual en Nanoscience y el Laboratorio de la Ingeniería en la Universidad de Estado de Kansas se centra en síntesis y la prueba mecánica de los nanowires compuestos polímero-derivados del nanotube de cerámica del SiCN-Carbón [11-12]. la cerámica Polímero-Derivada es única, pues se han mostrado para exhibir propiedades mezcladas de polímeros, de la cerámica y del graphene en general. Estamos desarrollando maneras de determinar experimental la fuerza mecánica de nanowires individuales usando la plataforma de tensión basada MEMS (colaboración con el Dr. Victor Bright de la Universidad de Colorado en Boulder). Hemos demostrado previamente las capacidades de tensión de la prueba de tal probador en el cual un MWCNT individual fue estirado para fracturar la demostración del modo del incidente telescópico típico en MWCNTs, Fig. 2 [10] de MEMS. Las pruebas de Flexión están siendo realizadas por el uso un sistema AFM-basado dentro de SEM, similar a la referencia [7].

En conclusión, la introducción de sistemas SEM-basados de la manipulación en la investigación aplicada ha aumentado nuestra comprensión del fenómeno nano-mecánico en los nanostructures 1-D así como ha abierto las nuevas avenidas para la fabricación de los diversos dispositivos del nanoscale del prototipo. Esto tendrá efecto principal en dar forma el futuro de la investigación de la nanotecnología.

Acuses De Recibo

Gurpreet Singh quisiera agradecer la Universidad de Estado de Kansas por los fondos de lanzamiento para la investigación relacionada que es realizada actualmente en nuestro laboratorio.

Referencias

  1. E.W. Wong, P.E. Sheehan, y C.M. Lieber. Mecánicos de Nanobeam: elasticidad, fuerza, y fortaleza de nanorods y de nanotubes. Ciencia 277, 1971 (1997).
  2. M.R. Falvo, G.J. Clary, R.M. Taylor II, V. Chi, F.P. Brooks, Jr., S. Washburn, y R. Superfine. El Doblar y el abrochar de los nanotubes del carbón bajo deformación grande. Naturaleza (Londres) 389: 582 (1997).
  3. PAGINACIÓN de Collins, Zettl A, Bando H, Thess A y Smalley CON REFERENCIA A. Nanodevice de Nanotube. Ciencia 278 (5335): 100-103 (1997).
  4. Tombler TW, CS de Zhou CW, de Alexseyev L, de Kong J, de Dai HJ, de los Leus L, de Jayanthi, Espiga MJ y Wu SY. Características electromecánicas Reversibles de los nanotubes del carbón bajo manipulación de la local-antena. Naturaleza 405 (6788): 769-772 (2000).
  5. M.F. Yu, O. Lourie, M.J. Dyer, K. Moloni, T.F. Kelley, y R.S. Ruoff. Fuerza y mecanismo de la fractura de los nanotubes multiwalled del carbón bajo carga de tensión. Ciencia 287: 637 (2000).
  6. Zhu y Espinosa. Un sistema electromecánico de la prueba de materiales para la microscopia electrónica y las aplicaciones ines situ. Proc. National Academy Of Sciences 102: 14503 (2005).
  7. G. Singh, P. Rice, y R.L. Mahajan. Fabricación y caracterización mecánica de un sensor de la fuerza basado en un nanotube individual del carbón. Nanotecnología 18 475501 (2007).
  8. G. Singh, P. Rice, R.L. Mahajan, y J.R. McIntosh. La Fabricación y la caracterización de un CNT basaron el nano-cuchillo. Nanotecnología, 20 095701 (2009).
  9. T. Dennis, S. Dyer, A. Dienstfrey, G. Singh, y P. Rice. Analizar espectros cuantitativos de la dispersión luminosa de fantasmas midió con tomografía óptica de la coherencia. Gorrón de la Óptica Biomédica, 13, 024004 (2008).
  10. J.J. Brown, J.W. Suk, G. Singh, A.I. Baca, D.A. Dikin, R.S. Ruoff, y V.M. Bright. Microsistema para las mediciones electromecánicas del nanofiber. Sensores y Actuadores A: Comprobación, Volumen 155, Paginación 1-7 (2009) de la Edición 1.
  11. J.H. Lehman, K.E. Hurst, G. Singh, E. Mansfield, J.D. Perkins, y C.L. Cromer. compuesto del Memoria-Shell de SiCN y de los nanotubes multiwalled del carbón de la dispersión del tolueno. Gorrón de la Ciencia Material 45:4251-4254 (2010).
  12. G. Singh, S. Priya, M. Hossu, S.R. Shah, S. Grover, Ali R Koymen, y R.L. Mahajan. Caracterización de la Síntesis, eléctrica y magnética del nanotube del carbón del memoria-shell - nanowires de SiCN. Cartas de los Materiales, Volumen 63, Edición 28, Paginación 2435-2438: (2009).
Date Added: Apr 25, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:20

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