碳納米管探針的製備及其結構最佳化的關鍵技術研究

《碳納米管探針的製備及其結構最佳化的關鍵技術研究》是依託天津大學，由徐宗偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管探針的製備及其結構最佳化的關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐宗偉
• 依託單位：天津大學

項目摘要

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)碳納米管探針在納米表征等領域已顯示出其獨特的優勢，而碳納米管探針的長度和角度等關鍵參數的精確控制是目前該領域亟待解決的科學問題。本項目提出基於束流誘導Pt沉積製備納米管探針，基於聚焦離子束(電子束)技術對納米管探針的長度、角度和剛度等參數精確控制和最佳化研究，實現長度小於500納米、角度控制精度優於1 的納米管探針製備。闡明聚焦離子束調控納米管探針角度的微觀作用機理。解決碳納米管探針在對大深寬比陡峭結構表征中，能夠高解析度且穩定表征的關鍵技術難題。深入研究納米管探針的不同參數{橫向彈性係數（長徑比）、角度、末端結構及工作振幅等}對其成像解析度影響，研究提高探針解析度的有效途徑，建立碳納米管探針測量性能的評價體系和指標。本課題探索從根本上解決制約碳納米管原子力顯微鏡探針套用的關鍵難題，為拓展AFM套用領域開闢新的有效途徑。

結題摘要

本項目緊密圍繞製造平台建設、基礎研究、製備工藝最佳化和性能表征四個研究方向展開，1、建立了碳納米管(Carbon nanotube, CNT)探針的高精度多自由度製造平台，實現高分辨線上觀測、納米操縱、局部誘導沉積固定和納米管參數最佳化等關鍵功能，最佳化平台設計提高製備效率；2、基於理論計算、振幅-相位-形貌分析和掃描電鏡線上觀測，探究了CNT探針對陡峭位置的成像假象形成機理，研究了CNT探針的納米尺度力學效應，為其高解析度成像提供了重要依據。3、系統研究了CNT探針組裝法製備工藝、電子束誘導Pt沉積工藝，提出了一種基於電子束局部誘導沉積剛度增強技術，實現了大長徑比且性能穩定的CNT探針製造；研究了聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)納米製造的核心工藝，提出了一種基於FIB離子注入原位氣體輔助刻蝕技術、一種有效校正FIB像散方法，完成了CNT探針長度和角度的高精度調控研究，最終獲得了長度和橫向剛度可控性好、角度控制精度優於1°的納米管探針製備。4、針對矩形槽、狹縫和納米點陣等典型微結構，開展了CNT探針的原子力顯微表征研究，探究了CNT探針的極限解析度，驗證了局部誘導沉積剛度增強技術CNT探針在表征大深寬比結構時的高精度和高穩定性，可穩定獲得82°側壁陡峭度形貌表征（垂直於探針掃描方向）。項目的開展解決了CNT原子力顯微鏡探針的製備及參數最佳化中的關鍵難題，對CNT探針的表征套用和機理研究起到了重要的推進作用。 出版英文專著2部，發表期刊論文15篇，其中在國際學術期刊CIRP Annals、Optics Express等SCI收錄11篇、EI收錄14篇，他引22次，3項授權發明專利，2次國際會議特邀報告，2項國際會議獎，已培養研究生4名。獲得天津大學“北洋學者•青年骨幹教師計畫”、教育部“博士研究生學術新人獎”、研究生國家獎學金等獎勵稱號。2012年本項目成功獲得青年-面上連續資助。 通過三年多的研究工作，已完成項目計畫研究內容。此外，還針對CNT探針在製備和表征套用中出現的新現象和新問題，如CNT探針對樣品-探針間作用力更敏感、局部誘導沉積剛度增強技術等，展開了系統研究。在項目實施過程中，提煉了FIB納米製造技術中存在的多個關鍵科學問題，包括納米尺寸效應、材料加工工藝性和離子注入損傷，相關研究工作將在已獲得青年-面上連續資助項目中系統研究和展開。