Применение многослойных углеродных нанотрубок с телескопическим удлинением в атомной силовой микроскопии

 


Взаимодействие между соседними цилиндрическими оболочками, составляющими многослойную углеродную нанотрубку (УНТ), определяется относительно слабым вандерваальсовским потенциалом. Это открывает возможность относительного перемещения различных слоев многослойной УНТ, которое приводит к ее удлинению, подобно телескопической удочке или антенне

Опубликованы результаты многочисленных экспериментов, демонстрирующих возможности использования продольного либо кругового относительного перемещения различных слоев нанотрубки в устройствах типа наноподшипника, нанопружины либо генератора механических колебаний. Однако практическая реализация указанных и некоторых других возможностей в виде конкретных наномеханических устройств наталкивается на трудности, связанные с несовершенством структуры многослойных УНТ, которая в силу наличия значительного количества дефектов приводит к быстрому повреждению нанотрубок уже после нескольких телескопических перемещений.

Недавно в Пекинском университете разработан новый метод синтеза многослойных УНТ, отличающихся малым числом дефектов и прямолинейной структурой. Такие нанотрубки более пригодны в качестве основы приведенных выше наномеханических устройств. В частности, авторам удалось использовать возможность телескопического удлинения многослойных УНТ для тонких измерений рельефа поверхностей на нанометровом уровне в конфигурации атомного силового микроскопа. В этом случае многослойную УНТ выращивали внутри углеродного волокна методом химического осаждения паров. В дальнейшем после отшелушивания оболочки, относящейся к волокну, получалась практически не содержащая примесей прямолинейная нанотрубка диаметром около 33 нм и длиной около 2,7 мкм.

Полученная таким образом вертикально ориентированная УНТ, находящаяся в хорошем механическом контакте с подложкой, приводится в соприкосновение с наконечником тонкого вольфрамового зонда. В результате облучения области контакта электронным пучком зонд прикрепляется к нанотрубке, что позволяет совершать продольные перемещения ее внутренних слоев. С целью изготовления конического наконечника атомного силового микроскопа с регулируемой длиной к нанотрубке через зонд прикладывали растягивающее усилие, в результате которого нанотрубка испытывала телескопическое удлинение с последующим разрывом.

Эксперименты по растяжению УНТ, выполненные с различными образцами, показали, что относительное удлинение нанотрубки после разрыва меняется в диапазоне от 1,8 до 6,17%. Участок нанотрубки, оставшийся прикрепленным к кремниевому наконечнику после разрыва, служил в качестве щупа атомного силового микроскопа.

Для тестирования такого наконечника использовали пластину анодированного оксида алюминия, в которой имелись отверстия неправильной формы с поперечным размером около 50 нм. Сравнение результатов тестирования, выполненного в режиме простукивания, с соответствующими данными, полученными с помощью стандартного кремниевого щупа пирамидальной структуры, показывает, что использование щупа на основе телескопической многослойной УНТ позволяет более точно получить детали рельефа глубокого отверстия.


Источник: NanoNewsNet