JP2008019153A - Shape processing control technology for locally removing and cutting carbon nano material by electron beam, and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノ材料の局部除去、切断による任意形状加工の技術及び装置に関する。この技術は、電子線を用いるものであり、電子線を任意に走査することで、任意の位置を加工するために用いられる。 The present invention relates to a technique and apparatus for arbitrary shape processing by local removal and cutting of carbon nanomaterials. This technique uses an electron beam, and is used to process an arbitrary position by arbitrarily scanning the electron beam.
特許文献1では、カーボンナノチューブの破断手法が提案された。この発明ではカーボンナノチューブ担持液体とチャンバー壁面への衝突及び、カーボンナノチューブ担持液体同士を衝突させて合流させる際に発生するせん断力、衝撃波、キャビテーション、膨張などによりカーボンナノチューブを破断することを特徴とする。
カーボンナノチューブの局所切断技術は種々提案されている(特許文献2〜特許文献5参照)。特許文献2では、放電作用によりカーボンナノチューブの切断する手法を提案した。特許文献3では、カーボンナノチューブを糖類溶液中に分散させた混合溶液を、加熱乾燥して固化させた後、粉砕することによりカーボンナノチューブを切断させるカーボンナノチューブの切断方法を提案した。特許文献4では、電子ビームの照射で電荷等の集中による発熱などで局所的に応力が発生してその部分の化学結合が切断されることカーボンナノチューブを破断させる手法を提案した。特許文献5では、イオンビームによってカーボンナノチューブを切断する手法を提案した。In
Various techniques for local cutting of carbon nanotubes have been proposed (see
カーボンナノ材料は、たとえば炭素原子がSP1,SP2結合により結晶構造を形成した結晶構造からなっているため、化学的に安定である性質を有するが、電子線のエネルギーを制御することにより、炭素原子の結合エネルギーと等しくすることで、イオン化効率が高くなるため、局部除去及び切断を行うことができるが、電子線のエネルギーは元来非常に小さいために、炭素原子の局部除去及び切断するためには電子線を十分に照射する必要がある。従って、カーボンナノ材料を電子線で局部除去及び切断し,任意の形状加工を行うために多くの時間を必要とした。 The carbon nanomaterial has, for example, a crystal structure in which carbon atoms form a crystal structure by SP1 and SP2 bonds, and thus has a chemically stable property. However, by controlling the energy of an electron beam, Since the ionization efficiency becomes high by making it equal to the binding energy of the carbon, local removal and cutting can be performed. However, since the energy of the electron beam is originally very small, the local removal and cutting of carbon atoms is necessary. Needs to be sufficiently irradiated with an electron beam. Therefore, it took a lot of time to remove and cut the carbon nanomaterial with an electron beam and perform arbitrary shape processing.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、炭素反応性ガスを導入し、試料に対して炭素反応性ガスを真空環境下で局所的に導入した状態で電子線を照射することにより、C−+O−→CO,C−+O2−→CO2,C− +H−→CH,C− +H2−→CH2,など、炭化酸素ガス、炭化水素ガスの生成反応を促進し、電子線を用いて短時間でカーボンナノ材料を局部除去及び切断し,任意の形状加工を行う、ことを特教とする技術。
上記の構成において、炭素反応性ガスは出来限り反応性原子の含有量が多い分子が好ましい。
また、電子線は、レンズ系及び走査機構により、任意の位置において局部的に照射制御できることが好ましい。As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have arrived at the present invention having the following configuration.
That is, by introducing a carbon reactive gas and irradiating the sample with a carbon reactive gas locally in a vacuum environment with an electron beam, C− + O− → CO, C− + O 2 − → CO 2 , C- + H- → CH, C- + H 2- → CH 2 , etc., promote the generation reaction of hydrocarbon gas and hydrocarbon gas, and locally remove carbon nanomaterials using electron beam And a technology that specializes in cutting and processing any shape.
In the above configuration, the carbon reactive gas is preferably a molecule having as much reactive atom content as possible.
Further, it is preferable that the electron beam can be locally controlled at an arbitrary position by a lens system and a scanning mechanism.
上記のように構成された装置によれば、炭素反応性原子による化学反応を用いて、カーボンナノ材料の原子結合構造を短時間に破壊することができる。仮に炭素反応性原子がない場合、真空中の残留分子が反応に加担することになるが、反応に加担できる原子数は少なく、特に油拡散真空ポンプなどを用いた場合、残留分子中に含まれる炭素原子が堆積する現象が起きる可能性がある。しかし、一定程度、多量に炭素反応性原子を導入した場合、上記反応を促進することができるために、電子線により、カーボンナノ材料の原子結合構造を破壊することが容易に出来る。
また、電子線を走査機構により、任意の位置に照射することにより、任意の位置において高精度にカーボンナノ材料を切断することができる。これにより、たとえば、原子間力顕微鏡用プローブ用のカーボンナノチューブの長さを制御し3次元的な形状を作製するなどの応用に対して有効である。
また、レンズ系により十分に絞った電子線を照射することにより、局所的にカーボンナノ材料を加工することができる。
また、低エネルギーである電子線を用いることで、局部除去及び切断し,任意の形状加工されたカーボンナノ材料のダメージを極限的に低減することができる。According to the apparatus configured as described above, the atomic bond structure of the carbon nanomaterial can be destroyed in a short time by using a chemical reaction by a carbon reactive atom. If there are no carbon-reactive atoms, the residual molecules in the vacuum will participate in the reaction, but the number of atoms that can participate in the reaction is small, especially when using an oil diffusion vacuum pump, etc. The phenomenon of carbon atom deposition may occur. However, when carbon reactive atoms are introduced in a certain amount in a certain amount, the above reaction can be promoted, so that the atomic bond structure of the carbon nanomaterial can be easily broken by an electron beam.
Further, by irradiating an arbitrary position with an electron beam by a scanning mechanism, the carbon nanomaterial can be cut with high accuracy at an arbitrary position. This is effective for applications such as controlling the length of a carbon nanotube for an atomic force microscope probe to produce a three-dimensional shape.
Further, the carbon nanomaterial can be locally processed by irradiating the electron beam sufficiently narrowed down by the lens system.
Further, by using an electron beam having a low energy, it is possible to limit the damage of the carbon nanomaterial that has been locally removed and cut and processed into an arbitrary shape.
この発明のカーボンナノ材料を切断できる構成を図1に示す。カーボンナノ材料7は電子顕微鏡の作業室1の中に置かれて作業室は真空状態2になる。電子ビーム4で加工を行う時、加工時間を短縮ためにはポイントモードを使用する。 A configuration capable of cutting the carbon nanomaterial of the present invention is shown in FIG. The
電子ビームで切断加工できるためには主に二つの要素が必要である。一つはエネルギーが低い電子ビームで,もう一つは炭素反応性ガスである酸素ガスの導入である。 In order to be able to cut with an electron beam, two main elements are necessary. One is an electron beam with low energy, and the other is introduction of oxygen gas, which is a carbon reactive gas.
カーボンのイオン化効率は低いエネルギーの電子ビームの照射でピーク値が得られる.即ち、カーボン原子は低いエネルギーの電子ビームの照射で励起あるいはイオン化されやすい性質を有する.1kev前後の電子ビームで,最大のイオン化効率が得られるため、カーボンナノ材料を局部除去及び切断し,任意の形状加工するために適している. The peak ionization efficiency of carbon can be obtained by irradiation with a low energy electron beam. In other words, carbon atoms are easily excited or ionized by irradiation with a low energy electron beam. Since the maximum ionization efficiency can be obtained with an electron beam of about 1 keV, it is suitable for local removal and cutting of carbon nanomaterials and processing of arbitrary shapes.
炭素反応性ガス種は,たとえば、酸素ガスが加工対象物にかけて,カーボンと反応して一酸化炭素や二酸化炭素に生成して排気される. Carbon reactive gas species, for example, oxygen gas is applied to the workpiece and reacts with carbon to produce carbon monoxide and carbon dioxide, which are then exhausted.
電子顕微鏡の作業室などのような真空環境の中で切断加工するとき,ガスの導入によって真空を維持する必要がある.このため、この真空破壊を最小限度に抑えるために、しかも十分な切断加工のために、ガスは先端の細い内径を持つチューブで微小流量を局所的に導入する必要がある.また、カーボンとの反応に参加するガス分子の数が多いほど良いので,ガスノズルを加工対象の近傍に設置するための制御ステージなどの装置が必要となる. When cutting in a vacuum environment such as a work room of an electron microscope, it is necessary to maintain the vacuum by introducing gas. For this reason, in order to minimize this vacuum break, and for sufficient cutting, it is necessary to introduce a small flow rate of gas locally through a tube with a narrow inner diameter at the tip. In addition, as the number of gas molecules participating in the reaction with carbon increases, it is better to have a device such as a control stage for installing the gas nozzle near the workpiece.
上記の技術及び装置において、加工条件を変更することで、カーボンナノ材料の湾曲加工することができる。つまり、切断する条件と比較すると、電子線の照射時間を短くすること、電子ビームの加速電圧を増大させること、照射電流を減少させること、加工対象とガスノズルの距離を増大させること,これらの条件の一つあるいは複数項目を変更して湾曲加工することできる。 In the above technique and apparatus, the carbon nanomaterial can be bent by changing the processing conditions. In other words, compared with the cutting conditions, shortening the electron beam irradiation time, increasing the electron beam acceleration voltage, decreasing the irradiation current, increasing the distance between the object to be processed and the gas nozzle, these conditions One or a plurality of items can be changed and curved.
さらに、湾曲加工装置と技術でカーボンナノ材料の形状制御をすることができる。これを応用することで、3次元的かつ任意の構造を作製することができる。加工装置の構成例を図5に示す。 Furthermore, it is possible to control the shape of the carbon nanomaterial with a bending apparatus and technique. By applying this, a three-dimensional and arbitrary structure can be produced. An example of the configuration of the processing apparatus is shown in FIG.
上記の技術及び装置を用いて、電子ビームの照射モードをポイントモードからエリア・スキャンモードに変更することで、カーボンナノ材料の一部を除去する加工ができる。この加工例の模式図を図6に示す。このとき、スキャン領域の大小によって加工時間が増減する点に注意が必要である。 By using the above technique and apparatus, the electron beam irradiation mode is changed from the point mode to the area scan mode, whereby a process for removing a part of the carbon nanomaterial can be performed. A schematic diagram of this processing example is shown in FIG. At this time, it should be noted that the processing time increases or decreases depending on the size of the scan area.
次に、上記のカーボンナノ材料の切断技術を確認するための実施例について説明する。
カーボンナノ材料として、実験対象物はアーク放電で作製された多層カーボンナノチューブを用いた.カーボンナノチューブは走査型電子顕微鏡の作業室に置かれている.作業室は真空状態である.Next, an example for confirming the cutting technique of the carbon nanomaterial will be described.
As carbon nanomaterials, multi-walled carbon nanotubes produced by arc discharge were used as experimental objects. Carbon nanotubes are placed in the working room of a scanning electron microscope. The working chamber is in a vacuum state.
カーボンナノ材料の切断のために、走査型電子顕微鏡の電子銃から出した電子ビームをカーボンナノチューブに照射する.電子ビームの加速電圧は1kvにした.また、プローブ電流は0.6nAにした.電子ビームのモードはポイントモードを使用した. In order to cut the carbon nanomaterial, the electron beam emitted from the electron gun of the scanning electron microscope is irradiated to the carbon nanotube. The acceleration voltage of the electron beam was 1 kv. The probe current was 0.6 nA. Point mode was used as the electron beam mode.
カーボンナノ材料の切断のために、炭素反応性ガスを真空チャンバーに導入するために、先端内径が20μmを有するガラスチューブのノズルを用いた.ノズルからカーボンナノチューブまでの距離は90μmに制御ステージにより設置した.ガスはマスフローコントローラにより流量制御を行った. A glass tube nozzle having a tip inner diameter of 20 μm was used to introduce the carbon reactive gas into the vacuum chamber for cutting the carbon nanomaterial. The distance from the nozzle to the carbon nanotube was set at 90 μm by a control stage. The gas flow was controlled by a mass flow controller.
カーボンナノ材料の切断のために、炭素反応性ガス種として酸素ガスと用いて、マスフローコントローラにより、流量を1sccmにした. For cutting the carbon nanomaterial, oxygen gas was used as a carbon reactive gas species, and the flow rate was set to 1 sccm by a mass flow controller.
図2の(a)に示すカーボンナノチューブに対して3回に分けて切断を行った。その結果は(b)、(c)、(d)に示す.切断時間は合計1分間であった.(b)は1回目の切断で650nmの長さの部分が切断された後のカーボンナノチューブの電子顕微鏡像である。(c)は2回目の切断で700nmの長さの部分が切断された。(d)は3回目の切断で隣のチューブと同じ長さに揃えた結果である.切断された部分の長さは700nmであった。 The carbon nanotube shown in FIG. 2 (a) was cut into three times. The results are shown in (b), (c) and (d). The cutting time was 1 minute in total. (B) is an electron microscopic image of the carbon nanotube after a portion having a length of 650 nm is cut by the first cutting. In (c), a 700 nm long portion was cut by the second cutting. (D) shows the result of aligning the same length as the adjacent tube in the third cut. The length of the cut part was 700 nm.
加速電圧とプローブ電流を変更して1分間以内にカーボンナノチューブを切断できる条件は黒いドットで示す。つまり、最大のイオン化効率が得られる1keV前後の電子ビームでは、低プローブ電流にて切断が行われた。一方、高い加速電圧で切断するときには、より高いプローブ電流が必要であるといえる。 The conditions under which the carbon nanotube can be cut within one minute after changing the acceleration voltage and the probe current are indicated by black dots. That is, cutting was performed with a low probe current with an electron beam of about 1 keV that provides the maximum ionization efficiency. On the other hand, when cutting at a high acceleration voltage, it can be said that a higher probe current is required.
カーボンナノ材料の湾曲加工技術の実施例を説明する。
カーボンナノ材料として、カーボンナノチューブを用いた。図4(a)はカーボンナノチューブを湾曲する前の電子顕微鏡写真である。An example of the bending technique of the carbon nanomaterial will be described.
Carbon nanotubes were used as the carbon nanomaterial. FIG. 4A is an electron micrograph before the carbon nanotube is bent.
走査型電子顕微鏡の電子ビームをカーボンナノチューブに照射する。電子ビームの加速電圧は1kVとした。また、プローブ電流は0.1nAにした。電子ビームの照射モードはポイントモードを用いた。 The carbon nanotubes are irradiated with an electron beam from a scanning electron microscope. The acceleration voltage of the electron beam was 1 kV. The probe current was 0.1 nA. The point mode was used as the electron beam irradiation mode.
カーボンナノ材料の湾曲加工のために、炭素反応性ガスを真空チャンバーに導入するために、先端内径が20μmを有するガラスチューブのノズルを用いた。ノズルからカーボンナノチューブまでの距離を200μmに設置した。炭素反応性ガスはマスフローコントローラにより流量制御を行った。 In order to introduce a carbon reactive gas into the vacuum chamber for bending the carbon nanomaterial, a glass tube nozzle having a tip inner diameter of 20 μm was used. The distance from the nozzle to the carbon nanotube was set to 200 μm. The flow rate of the carbon reactive gas was controlled by a mass flow controller.
カーボンナノ材料の湾曲加工のために、炭素反応性ガス種として酸素ガスと用いて、マスフローコントローラにより、流量を1sccmとした. For the bending process of the carbon nanomaterial, oxygen gas was used as a carbon reactive gas species, and the flow rate was set to 1 sccm by a mass flow controller.
カーボンナノ材料の湾曲加工のために、図4(a)の試料を、図4の(b)にカーボンナノチューブを湾曲加工した結果を示す。電子ビームの照射時間は4分間とした。電子ビームが照射する位置で、カーボンナノチューブの折れ目が発生し、写真の上向き方向に85度曲がった。 FIG. 4A shows the result of bending the carbon nanomaterial, and FIG. 4B shows the result of bending the carbon nanotube. The irradiation time of the electron beam was 4 minutes. At the position irradiated with the electron beam, a fold of the carbon nanotube occurred, and the photo was bent 85 degrees upward.
電子ビームのスキャンモードを用いて、カーボンナノ材料の局部除去加工技術を実施した例を説明する。カーボンナノ材料として、カーボンナノチューブを用いた。図7(a)はカーボンナノチューブを湾曲する前の電子顕微鏡写真である。 An example in which a carbon nanomaterial local removal processing technique is implemented using an electron beam scan mode will be described. Carbon nanotubes were used as the carbon nanomaterial. FIG. 7A is an electron micrograph before the carbon nanotube is bent.
カーボンナノ材料の局部除去加工のために、走査型電子顕微鏡の電子ビームをカーボンナノチューブに照射する。電子ビームの加速電圧は2kVにした。また、プローブ電流は0.3nAとした.電子ビームの照射モードはスキャンモードでスキャンエリアは長さが800nm、幅が200nmにした。 For local removal processing of the carbon nanomaterial, an electron beam of a scanning electron microscope is irradiated to the carbon nanotube. The acceleration voltage of the electron beam was 2 kV. The probe current was 0.3 nA. The electron beam irradiation mode was a scan mode, and the scan area was 800 nm in length and 200 nm in width.
カーボンナノ材料の局部除去加工のために、炭素反応性ガスを真空チャンバーに導入するために、先端内径が20μmを有するガラスチューブのノズルを用いた。ノズルからカーボンナノチューブまでの距離を170μmに設置した。炭素反応性ガスはマスフローコントローラにより流量制御を行った。 In order to introduce the carbon reactive gas into the vacuum chamber for the local removal processing of the carbon nanomaterial, a glass tube nozzle having a tip inner diameter of 20 μm was used. The distance from the nozzle to the carbon nanotube was set to 170 μm. The flow rate of the carbon reactive gas was controlled by a mass flow controller.
カーボンナノ材料の局部除去加工のために、炭素反応性ガス種として酸素ガスと用いて、マスフローコントローラにより、流量を1sccmとした. For local removal processing of the carbon nanomaterial, oxygen gas was used as a carbon reactive gas species, and the flow rate was set to 1 sccm by a mass flow controller.
図7(a)の試料を、図7の(b)、(c)にカーボンナノチューブの局部を除去加工した結果を示す。電子ビームの照射時間は30分間にした。図7(c)は、図7の(b)の加工部位の拡大写真である。図7(c)に示すように、カーボンナノチューブのおよそ200nmの長軸範囲の外層が除去された。 FIG. 7B and FIG. 7C show the results of removing the local parts of the carbon nanotubes from the sample of FIG. 7A. The electron beam irradiation time was 30 minutes. FIG.7 (c) is an enlarged photograph of the processing part of FIG.7 (b). As shown in FIG. 7C, the outer layer of the long axis range of about 200 nm of the carbon nanotube was removed.
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
例えば、電子銃はすべての電子顕微鏡の電子銃を使用しても良い.更に、電子顕微鏡の電子銃を使用せずに任意種類のエミッタで発生した電子ビームでも良い。
電子ビームのモードはスポットモード、ラインモード、エリアモードなど各種走査手法でも良い。
更に、炭素反応性ガス種は、酸素ガスではなくてもカーボンと反応ができるガス種で良い。即ち、水蒸気、水素でも良い。The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
For example, the electron gun of all electron microscopes may be used. Further, an electron beam generated by any kind of emitter without using an electron gun of an electron microscope may be used.
The electron beam mode may be various scanning methods such as spot mode, line mode, and area mode.
Further, the carbon reactive gas species may be a gas species capable of reacting with carbon instead of oxygen gas. That is, it may be water vapor or hydrogen.
1 真空チャンバー
2 真空
3 基板
4 電子ビーム
5 電子銃
6 ガスノズル
7 カーボンナノ材料1
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006220608A JP2008019153A (en) | 2006-07-14 | 2006-07-14 | Shape processing control technology for locally removing and cutting carbon nano material by electron beam, and apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=39075411
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JP2006220608A Pending JP2008019153A (en) | 2006-07-14 | 2006-07-14 | Shape processing control technology for locally removing and cutting carbon nano material by electron beam, and apparatus therefor |
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JP (1) | JP2008019153A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010013977A2 (en) * | 2008-08-01 | 2010-02-04 | Korea Research Institute Of Standards And Science | Spm nanoprobes and the preparation method thereof |
US7674389B2 (en) * | 2004-10-26 | 2010-03-09 | The Regents Of The University Of California | Precision shape modification of nanodevices with a low-energy electron beam |
-
2006
- 2006-07-14 JP JP2006220608A patent/JP2008019153A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010013977A3 (en) * | 2008-08-01 | 2010-06-03 | Korea Research Institute Of Standards And Science | Spm nanoprobes and the preparation method thereof |
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