利用碳纳米管探针进行纳米加工的研究进展

　　1　引　　言

　　纳米技术是当今世界的先进科学技术之一,应用纳米电子学开发的量子器件将代替微电子器件,使得信息产品的体积、功能、外观发生质的变化。基于TOP-DOWN的原子力显微镜(AFM)纳米加工实验,由于采用接触模式,AFM的探针尖端与样品存在摩擦,探针针尖逐渐变钝,加工的一致性和加工产品的尺寸很难得到保证,而且进行诱导氧化加工的探针还有导电层脱落等问题。碳纳米管探针(CNT-Tip)具有高的长径比、高的弹性和弯曲强度,且具有导电性,进行纳米加工过程中不会出现上述问题。世界上第一根碳纳米管原子力显微镜针尖是由获得诺贝尔奖的美国莱斯大学(Rise University) Smallay手工操作,将MWNTs粘到传统的硅针尖上[1]。与传统探针相比,CNT-Tip有很多显著的优点,使得高精度的纳米加工成为可能。但是手工操作具有耗时长、带有一定的随机性等缺点。将碳纳米管制成溶液然后采用化学生长方法使其粘接到AFM探针[2],也是一个比较好的方法,但是CNT的分散与生长的姿态控制是一个难题。本文提出一种基于热丝化学气相沉积(HF-CVD)的装置生长CNT-Tip。并对其装置和反应原理进行了叙述。

　　2　CNT-Tip与纳米加工

　　原子力显微镜(AFM)于1986年由Binning等人发明后,在许多基础和研究领域中得到广泛使用,成为一种实用的超微观察工具。同时,AFM还具有操纵和改造原子、分子世界的手段,是一种进行纳米加工的有力工具。但是传统的探针限制了AFM的发展。探针对进行纳米加工的影响主要表现在以下几个方面:(1)针尖的曲率半径　针尖曲率半径的大小将直接影响到加　工的尺寸精度。在刻蚀加工中当两条加工轨迹的中心线间距大小与探针针尖的曲率半径相当或者更小时,得到的就是废品。(2)加工时针尖的磨损对纳米加工的影响　在加工过程中,针尖与样品的接触磨擦,使得原本尖锐的探针针尖变钝,加工出的轨迹会逐渐变粗,影响加工产品的质量。(3)针尖的物理结构和化学性质未知　AFM能进行纳米加工,主要是因为在其针尖的表　　面存在着原于级的突起,构成了与样品的实际接触,但是这些突起的尺寸形状和化学组成是未知的,而且在实验中经常发生改变,因此获得可信赖的针尖是获得良好纳米加工效果的关键。

　　CNT-Tip克服了传统探针的很多缺点:(1)碳纳米管是一种针状的碳管,具有很高的长径比,直径大约在1～30nm之间,长度可达1m。这样,即使在加工过程中存在磨损,探针的直径也不会发生变化,可以保持纳米加工产品的尺寸精度和良好的一致性。(2)碳纳米管的弹性模量达到1000GPa,说明它具有较强的弹性和弯曲刚度。此外,当碳纳迷管遭到破坏时,其应变能力高达5%～20%,这样CNT-Tip可以较好地完成纳米加工的过程。(3)碳纳米管还具有与其结构有关的独特的电学性能。通常,可以用一组称为碳纳米管指数的整数(n,m)来表征碳纳米管,它包含了碳纳米管的管径和螺旋度等信息。根据卷曲情况的不同,碳纳米管的电学特性可表现为金属型或半导体型[3],可以根据不同的加工要求选择不同的碳管,使得量子器件的加工成为可能。(4)稳定的结构,碳纳米管中每个碳原子与周围3个原子以共价键相结合,形成严密的结构,而管的两端又是封闭的,没有悬空的化学键存在,这样使整个结构的稳定性更加增强。