Острие (иглы) для СТМ

УНТ удобны для использования в качестве пробников в сканирующих туннельных микроскопах (СТМ). Хорошие пробники для СТМ изготавливают из Si или Si3N4, которые имеют форму пирамиды или конуса с радиусом кривизны вершины от 10 нм до десятков нм. Однако щупы более высокого качества для СТМ получаются тогда, когда используются УНТ. Нанотрубные щупы обладают следующими качествами [7.1].

1) Малый радиус кривизны вершины УНТ (минимальная величина 0,35 нм) значительно увеличивает разрешающую способность прибора.

2) Высокое аспектное отношение (отношение длины к диаметру), равное 10-103, дает возможность проводить изучение резких высотных перепадов с высокой разрешающей способностью.

3) Вершинная часть нанотрубок может быть обрезана и химически активирована, что позволяет использовать такие УНТ в качестве щупов для химических силовых микроскопов.

4) Нанотрубки, на концах которых имеются маленькие магнитные частицы, могут быть использованы для магнитного силового микроскопа в качестве магнитного щупа.

5) Нанотрубки механически прочны и могут упруго деформироваться и изгибаться на большие углы без повреждения. Такие пробники не будут разрушаться при соприкосновении с неровностями на поверхности образца. Упругое деформирование нанотрубок определяет максимум силы, которую можно приложить к образцу, чтобы не повредить при исследовании органические и биологические объекты.

6) Если УНТ получают методом распыления графита в электрической дуге, то оба конца нанотрубки закрыты образованиями в виде шляпочек. Эти шляпочки должны быть химически и физически стабильными в течение длительного времени, когда щуп находится в рабочем состоянии.

Для прикрепления нанотрубки к вершине кремниевого острия используются три следующих процесса. Один из них – это использование электростатического притяжения как движущей силы для транспортировки нанотрубок. Острую вершину кремниевой пирамиды и нанотрубки придвигают друг к другу таким образом, чтобы между ними была щель не менее 1 мкм. Затем прикладывается напряжение в несколько десятков вольт между нанотрубкой и острием кремниевой пирамиды, что приводит в полный контакт острие пирамиды и один из концов нанотрубки. Второй процесс: вершина острия приводится в контакт с подложкой, на которой располагалась нанотрубка и затем пропускался ток величиной менее чем 1 mА, чтобы контакт стал действующим. Затем нанотрубка отделяется от картриджа. Соответствующая плотность тока при диаметре трубки порядка 10 нм оценивается как 10⁸-10⁹ А/см². Третий процесс – это осаждение углерода для соединения нанообъектов. Источником углерода служит углеродно-водородная смесь, которая вводится в пространство, где располагаются соединяемые объекты. Осаждаемая углеродная пленка притягивает нанообъекты между собой. Установлено, что сила притяжения нанотрубки к пленке углерода составляет около 3 mН (3 миллионных Ньютона).

Рис. 7.2. Изображение нанотрубных пробников, полученных с помощью СЭМ:

(а) – единичная нанотрубка 1200 нм – выступающая длина ; (b) Основа – связка нанотрубок и на вершине – единичная нанотрубка (общая выступающая длина – 650 нм).

Диаметр нанотрубки около 10 нм