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O Microscópio de Elétron Baseou a Fabricação e o Teste Nano-Mecânico

Pelo Professor Gurpreet Singh

Gurpreet Singh, Departamento do Professor Adjunto, a Mecânica e a Nuclear de Engenharia, 3002 Rathbone Salão, Universidade Estadual Manhattan de Kansas, Kansas 66506, EUA
Autor Correspondente: gurpreet@ksu.edu

A pesquisa adiantada que envolve a manipulação e o teste nano-mecânico de nanostructures individuais foi demonstrada por meio do microscópio atômico da força (AFM) e o microscópio da escavação de um túnel da exploração (STM) baseou os sistemas [1-4]. Pela primeira vez, estes microscópios permitiram a observação assim como a interacção da escala de secundário-nanômetro com o espécime. A Maioria do trabalho que envolve propriedades mecânicas fundamentais dos nanotubes foi feito por manipulações de superfície baseadas AFM em uma carcaça planar. Usando uma ponta afiada da microscopia, os nanotubes individuais podiam ser ficados situados e transportado rolando e deslizando; finalmente poderiam ser cortados ao tamanho direito (empurrando). A vantagem da oferta dEstes microscópios em termos da definição mas lá é um downside principal a toda a estratégia baseada AFM/STM da manipulação; a falta da imagem lactente do tempo real e a limitação da manipulação às superfícies planares, que faz algumas operações impossíveis.

Nos últimos anos, no microscópio de elétron da exploração (SEM), no microscópio focalizado do feixe de íon (MENTIR) e no microscópio de elétron da transmissão (TEM) baseado os sistemas da nano-manipulação começaram substituir o AFM (sistemas baseados) [5-8]. SEM/FIB oferece a manipulação 3-D das nano-estruturas no tempo real. A câmara mais espaçoso deste tipo do microscópio permite a montagem de um espécime mais grande. Embora a definição fornecesse por SEM seja um ordem de grandeza menos do que aquela de um TEM ou de um AFM, ele é considerada geralmente boa bastante para a selecção, a separação, a manipulação, o conjunto assim como o teste de dispositivos nano-mecânicos.

Nosso grupo de investigação foi envolvido em SEM e na manipulação baseada FIB para a avaliação da propriedade mecânica assim como a fabricação fundamentais dispositivos do prova--princípio do `'. Desde a fabricação inteira e o teste é realizado sob a vista directa de SEM, permanece lá pouca possibilidade para a ambigüidade nos dados experimentais. O Dr. Singh e sua equipe [7-8] demonstrou a fabricação e o teste a dois dispositivos baseados (NT) nanotube do indivíduo: a) um dispositivo individual de NT/sphere para o uso como um sensor da força [7] e b) uma nano-faca do microtome CNT do protótipo para seccionar dos materiais biológicos [8].

Figura 1: os Nano-Dispositivos fabricados e testados por meio de SEM basearam o sistema do nanomanipulation. (a) O dispositivo do sensor da força de NT/sphere, considera a referência [7] para detalhes. (b) A nano-faca do protótipo do nanotube do Carbono, vê a referência [8] para detalhes.

O dispositivo de NT/sphere incorpora um grânulo da microsfera do poliestireno anexado a um nanotube multi-murado indivíduo do carbono (MWCNT), mostrado em Fig. 1 (a). O dispositivo tem aplicações em estudar o comportamento da deformação da pilha medindo a deflexão da esfera óptica, desde que a esfera é grande bastante ser detectada exactamente com métodos ópticos [7,9]. Nós continuamos a trabalhar com grupos de investigação no National Institute of Standards and Technology (Confiança dos Materiais e Divisão da Óptica Electrónica) para explorar novas aplicações deste dispositivo e nós temos podido até agora demonstrar: (a) a calibração do sensor para abaixar muito a escala do piconewton das forças isto é, e (b) Utilizando o regime de NT/sphere para emular um núcleo de pilha para a calibração estuda usando o tomografia óptico da coerência (OCT) [9].

O dispositivo da nano-faca do protótipo consiste em um CNT esticado entre duas agulhas do tungstênio (mantidas unidas em uma carcaça de vidro). Os testes de carga transversal In Situ na nano-faca indicaram que a falha estava na solda (o CNT era não afectado pela força aplicada), mostrada em Fig. 1 (b). A força Medida do dispositivo era ~0,14 GPa, correspondendo a uma solda que quebra uma força de ~10-7 N. Quando as experiências de corte executaram nas marcas mostradas ouro-revestidas de um recorte do espécime da resina do epon (plastificante biológico da pilha) devido a NT [7].

Figura 2: O verificador elástico baseado MEMS que estica um MWCNT individual (deixado) e o lote correspondente da esforço-tensão (direito), vê a referência [10] para mais detalhes.

Nossa pesquisa actual em Nanoscience e em Laboratório da Engenharia na Universidade Estadual de Kansas é focalizada na síntese e no teste mecânico dos nanowires compostos polímero-derivados do nanotube cerâmico do SiCN-Carbono [11-12]. a cerâmica Polímero-Derivada é original, porque foram mostrados para exibir geralmente propriedades misturadas dos polímeros, da cerâmica e do graphene. Nós estamos desenvolvendo maneiras de determinar experimental a força mecânica de nanowires individuais usando a plataforma elástica baseada MEMS (colaboração com Dr. Vencedor Brilhante da Universidade Do Colorado em Boulder). Nós temos demonstrado previamente as capacidades elásticas do teste de tal verificador em que um MWCNT individual foi esticado para fracturar a demonstração do modo de falha telescópico típico em MWCNTs, Fig. 2 de MEMS [10]. Os testes de Dobra estão sendo executados pelo uso um sistema AFM-baseado dentro de SEM, similar à referência [7].

Em conclusão, a introdução de sistemas SEM-baseados da manipulação na pesquisa de engenharia aumentou nossa compreensão do fenômeno nano-mecânico nos nanostructures 1-D assim como abriu avenidas novas para a fabricação de vários dispositivos do nanoscale do protótipo. Isto terá o efeito principal em dar forma ao futuro da pesquisa da nanotecnologia.

Reconhecimentos

Gurpreet Singh gostaria de agradecer à Universidade Estadual de Kansas para fundos start-up para pesquisa relacionada actualmente que está sendo executada em nosso laboratório.

Referências

  1. E.W. Wong, P.E. Sheehan, e C.M. Lieber. Mecânicos de Nanobeam: elasticidade, força, e dureza dos nanorods e dos nanotubes. Ciência 277, 1971 (1997).
  2. M.R. Falvo, G.J. Salva moscatável, R.M. Taylor II, V. Qui, F.P. Ribeiro, Jr., S. Washburn, e R. Superfine. Dobra e dobra de nanotubes do carbono sob a grande tensão. Natureza (Londres) 389: 582 (1997).
  3. PÁGINA de Collins, Zettl A, Bando H, Thess A e Smalley COM REFERÊNCIA A. Nanodevice de Nanotube. Ciência 278 (5335): 100-103 (1997).
  4. Tombler TW, CS de Zhou CW, de Alexseyev L, de Kong J, de Dai HJ, de Leus L, de Jayanthi, Tang MJ e Wu SY. Características electromecânicas Reversíveis de nanotubes do carbono sob a manipulação da local-ponta de prova. Natureza 405 (6788): 769-772 (2000).
  5. M.F. Yu, O. Lourie, M.J. Tintureiro, K. Moloni, T.F. Kelley, e R.S. Ruoff. Força e mecanismo da quebra de nanotubes multiwalled do carbono sob a carga elástica. Ciência 287: 637 (2000).
  6. Zhu e Espinosa. Um sistema de teste material electromecânico para a microscopia e aplicações in situ de elétron. Proc. Academia Nacional das Ciências 102: 14503 (2005).
  7. G. Singh, P. Arroz, e R.L. Mahajan. Fabricação e caracterização mecânica de um sensor da força baseado em um nanotube individual do carbono. Nanotecnologia 18 475501 (2007).
  8. G. Singh, P. Arroz, R.L. Mahajan, e J.R. McIntosh. A Fabricação e a caracterização de um CNT basearam a nano-faca. Nanotecnologia, 20 095701 (2009).
  9. T. Dennis, S. Tintureiro, A. Dienstfrey, G. Singh, e P. Arroz. Analisar espectros quantitativos da dispersão de luz dos fantasma mediu com tomografia óptico da coerência. Jornal do Sistema Ótico Biomedicável, 13, 024004 (2008).
  10. J.J. Brown, J.W. Suk, G. Singh, A.I. Baca, D.A. Dikin, R.S. Ruoff, e V.M. Brilhante. Microsistema para medidas electromecânicas do nanofiber. Sensores e Actuadores A: Exame, Volume 155, Página 1-7 da Edição 1 (2009).
  11. J.H. Lehman, K.E. Hurst, G. Singh, E. Mansfield, J.D. Perkins, e C.L. Cromer. composto de Núcleo-SHELL de SiCN e de nanotubes multiwalled do carbono da dispersão do tolueno. Jornal da Ciência de Materiais 45:4251-4254 (2010).
  12. G. Singh, S. Priya, M. Hossu, S.R. Xá, S. Grover, Ali R Koymen, e R.L. Mahajan. Caracterização da Síntese, a elétrica e a magnética do nanotube do carbono de núcleo-SHELL - nanowires de SiCN. Letras dos Materiais, Volume 63, Edição 28, Página 2435-2438: (2009).
Date Added: Apr 25, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:14

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