文摘

本文报道一种微碳纳米管的方法(热合)融合在扫描电子显微镜(SEM)。问被纳米机器人机械手系统的构造与21个自由度和SEM 1纳米分辨率。问拿起,放在两个机械手。张力是140问时神经网络分为两部分。然后,问互相连接的两个部分由两个机械手。两部分之间的粘附力测量约20 nN。当问的两部分连接,接触面积的融合是聚焦电子束辐照3分钟。结的张力测量是大约100神经网络。然而,融合之后,张力是五倍的拉伸力只有通过范德华力连接。这个力是70%的拉伸力之前退出碳纳米管。 The results revealed that the electron beam irradiation was a promising method for CNT fusion. We hope this technology will be applied to nanoelectronics in the near future.

1。介绍

门口的规模集成电路(IC)芯片的晶体管到10纳米。通过引入不足纳米晶体管,与硅晶体管的扩展趋势最终达到物理限制1]。量子凿效果更加突出频道在源极和漏极之间的长度减少到几个纳米。与光刻和先进的紫外蚀刻加工技术,中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)集成在数以千亿计的晶体管。他们减少了处理器的热功耗和提高了处理器频率显著(2]。近年来,碳纳米管,它是由Raghavan发现1991年(3),引起了极大的兴趣不仅研究员还制造工程师的导电通道晶体管小于10纳米。旋转的微碳纳米管由单个石墨烯对针轴(4]。碳纳米管被发现很大程度上因为他们杰出的电气、机械性能和独特的电子传输特性(5,6]。预计将使用这些属性采用碳纳米管作为结构或电气组件。世界上一些大公司如IBM公司(7)和英特尔公司(8提出了一种新的碳纳米管的过程。问了一个类似石墨烯分子结构,由碳原子(六角晶格的9]。问可以自由行动的航空公司在每一个石墨烯片因为弹道运输(10]。它是109一个/厘米2,比铜大三个数量级(11]。问的电流密度场效应晶体管(FET)四倍比最好的硅设备。此外,它是表现在低工作电压。晶体管规模越来越小,开关速度将明显改善(12]。铜作为传统导电材料更容易受到电迁移损失(13]。铜的电阻率增加,由于电子散射表面。通过这种运输形式的电子,碳纳米管的电流密度是两个或三个数量级高于铜(14),使得nanodevice问理想材料和电子电路。

碳纳米管互连技术的关键部分结构制造和功能器件制备和组装。连接的质量直接决定了功能器件的可靠性。现有的互连方法包括化学气相沉积(CVD)、高能电子束辐照技术、电弧放电,超声振动互连技术(15]。在常规处理,是不可能实现有效的提取和碳纳米管在三维空间的排列。此外,碳纳米管没有互联通过适当的方法。要解决这些问题,一些学者已经设计和开发纳米操作系统。福田等人建造了一个nanorobotic操纵系统组成的4操作单位16自由度(16]。该系统可用于纳米操作和nanoassembly。俄文等人表现出4-probe自动化纳米操作系统内部的SEM纳米操作任务(17]。在集成电路制造,问可以放置通过发展技术(18]。它可以有效地解决自上而下的工艺处理面临的问题。

这些年来,问被证实潜在的应用在大规模集成互联。纳米电子设备已广泛应用于计算机芯片来实现,细小的电线连接,等等许多互连方法,碳纳米管(19]。在过去的几十年里,nanodevices [20.- - - - - -22由于互连技术取得了巨大的突破。互连技术已成为nanodevices制造的重要组成部分。吴的小组成功地焊接双壁碳纳米管在真空玻璃管真空钎焊的碳纳米管共晶合金(AgxCuy)掺杂钛。互连过程需要低成本和接触电阻很低(23]。克拉舍宁尼科夫等人进行MD模拟离子辐照诱导问焊接(24),表明这种方法可以用于锡碳纳米管。然而,能源消耗时间。陈和张表明聚焦电子束在扫描电子显微镜(SEM)可以用来存放少量的碳氢化合物污染,连接管的AFM提示(25]。粘附是足够大的问在AFM坚定地提示。然而,实验设备互连过程中受到了污染。彭等人合成H-junctions分支结构和多个三通接头问使用热化学气相沉积法(26]。空间分辨率、灵活性和可控性之间的焊缝单个纳米线和nanoobjects被这种方法彻底改善。

Fedorov等人应用focused-electron-beam-induced功能与电极(保险丝问27]。会有直接积极的影响增强功能,提高质量,降低电子设备的制造成本。这些方法的有效性,在一定程度上碳纳米管的性质。介绍了融合碳碳纳米管连接的债券和互连强于之前的碳纳米管连接而不融合。更重要的是,这种方法有一些优点超过其他任何方法(28]。碳纳米管互连技术没有污染。Nanodevices可以在大规模生产与连接碳纳米管(29日]。没有必要的其他材料过程中融合与电子束的碳碳键30.]。研究表明,碳纳米管可以连接任意角度和集成到复杂结构的纳米操作(31日]。这种碳纳米管互连技术可以促进小型设备的发展。然而,碳纳米管没有相互联系的准确。这些方法改变了表面电阻相互连接的碳纳米管。这些涉及的问题没有有效的解决上述互连的方法。

本文提出了一个方法来连接碳纳米管与电子束熔丝碳碳键。碳纳米管是由nanomanipulators有效和一致的。随着半导体技术的发展,设备越来越小及其较小的大小。半导体的有效互联已经成为一个重大的挑战。在未来的工业应用中,大量的碳纳米管可以通过电子束辐照融合。大规模生产将会通过这种方法来实现。整个操作完成了扫描电子显微镜(SEM)。我们设计了三个实验类别比较融合效果。为了研究辐照时间的影响,观察融合的放大,AFM的偏转实验期间应认真观察和记录。这些因素被发现的影响,分别通过在实验中获得的曲线。 Figure1显示了一个示意图的融合方法的电子束辐照热合。


图1
融合方法的示意图,通过电子束辐照。

2。试验装置

实验系统设计了扫描电镜研究这些问题。图2显示了纳米机器人操作系统的配置设置与21个自由度。SEM(蔡司,梅林紧凑,决议:1.5海里)介绍了纳米操作观察整个过程,进行了真空室的SEM(表1)。在此系统中,单位1,第二单元,第三单元用于纳米操作操作。单元1和单元2 (SmarAct slc - 1720)的分辨率1 nm如图2是four-axe显微操纵器。第三单元由Picomotor(新焦点,8301 -特高压)和三维微动阶段(σ,tsd - 255 c) 30纳米的分辨率将问。的夹具设计修复AFM悬臂(奥林巴斯,OMCL-TR400PB-1)。AFM是应用于接碳纳米管问。固定的碳纳米管在AFM悬臂顶端驱动机械手。和AFM被设定为5 nm的移动一步一步。

表1
每个纳米机器人机械手的参数。

图2
纳米机器人操作系统的图像。

的过程如下所示的实验。

是捡起一个MWCNT的第一步。拿起碳纳米管固定在悬臂2如图3(一个)和碳纳米管的两端之间的距离测量。

(一)
(一)
(b)
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(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图3
(一)问的原始位置。(b)拉问,直到纳米管断裂。(c)融合问。(d)把问分成两部分。(e)连接碳纳米管又没有融合。(f)纳米管分开的。

第二步是连接热合。悬臂2是向右推动的。MWCNT拉分成两部分。两端的距离记录MWCNT时分为两部分,如图3 (b)。在拉伸过程中,MWCNT分为两个部分。拉后,两个部分的总长度是超出了先前的MWCNT。

第三步是保险丝热合。悬臂2感动与10 nm一步问的连接两个部分。机械手停止移动的两个破坏点问了对方。关节融合了电子束辐照如图3 (c)。加速电压被应用于5 kV和电子束电流30 pA。两个碳碳键的碳管在那里,他们被电子束融合联系在一起。两个热合辐照3分钟,放大是保持在5000年。打破之前,我们记录了afm的距离两个关节。

第四步是把热合。时记录的悬臂梁挠度1融合热合如图分手了3 (d)。

第五步是再次连接。连接力量是范德华力,如图3 (e)。一旦连接,额外的高压(过去)3分钟问的比较出发由电子束辐照融合。

在接下来的过程中,连接热合再次拉和悬臂梁挠度1热合分开时被记录。

3所示。实验结果

如图4(一),MWCNT捡起批量设置两个机械手(悬臂1和悬臂2)。在扫描电镜,MWCNT的长度在11.81实验测量的开始μ米,直径为39.46 nm。最初的两个关节的距离是11.24μm。在图4 (b),MWCNT拖进两个部分和部分的长度是3μm和13.7μm,分别。两个关节之间的距离是18.16μm。张力计算是140神经网络。作为数据4 (c)和4 (d)显示,MWCNT被电子束辐照融合。之后,再次融合MWCNT被撤下,范德华力计算是12.6神经网络。在数据4 (e)和4 (f),拖着MWCNT是相互关联的,再拖。问是相互关联的,拖时,两端的距离是14.22μm和18.29μm,分别。发现融合后的张力为81.4神经网络,这显然是比范德华力。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
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图4
(一)原问两端的距离。(b)拖问时的距离。(c)融合问的两端的距离。(d)融合问拖时的距离。(e)的距离连接拖问。(f)的距离把相互关联的问。

4所示。讨论

电子束在SEM辐照电子枪发出的碳管的联合。这种合成控制系统操作启用了原子级精度的精确位置选择在所需的地方。拖的碳碳键的碳管为结束。由于原子间斥力的存在,碳碳键断裂无法恢复,当拖热合是相互关联的。然而,电子转移到轨道电子束的碳原子。当发射电子轰击关节,量子光子产生的电子能量转移到低能量轨道电子。低能量轨道电子高能轨道交通;那么他们的振动频率和范围的运动增加。在这种情况下,碳碳键形成的可能性增加,促进了碳原子晶格重建,所以属性是一样的初始碳纳米管。在这个实验之前,范德华力是理论上按照下列公式计算(28]: 在哪里 是atom-atom系数对势; 和 是原子的数字交互材料单位体积。 是0.34海里,这是有吸引力的范德华力的垂直距离。 是Hamaker常数之间的碳纳米管(28]:

根据张力公式,计算出的力胡克定律(32]:

通过对比拉伸力和范德华力,拉伸力显然更大。这个结果清楚表明,碳纳米管的融合可以显著增加张力。

假设碳纳米管是一个多层圆柱,有两个互连方式。一个是交头接耳地配置和另一边到另一边的配置,如图5(一个)和5 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
(一)横断面视图和顶视图交头接耳地配置两个碳纳米管。(b)横断面视图和开销的一边到另一边的配置两个碳纳米管。

图5(一个)显示了交头接耳地配置。在这种情况下,两个碳纳米管连接的中心和范德华力是最大的。碳纳米管的层是58岁。横截面积可以计算由以下关系方程(33]: 据计算,该地区是138海里2。力的值被计算为5.3神经网络。

碳纳米管互连的其他方法是一边到另一边的配置。力最强的连接是由以下方程[包含34]。两个外墙之间的距离为0.34纳米, 是碳纳米管的界面剪应力,2 MPa,然后呢 的接触宽度热合,100海里。

首先,碳管的两端是辐照一段时间。悬臂梁的挠度测试后拖动连接纳米管,直到新的联合破产了。连接后,额外的高压被关闭。当拖动连接MWCNT,额外的高压被打开。力和时间之间的关系,提出了由 - - - - - - 散点图6(一)。辐射时间,通过范德华力改变了一点,证明实际的范德华力和辐射时间无关。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
(一) - - - - - - 散点图的实际拉伸力和范德华力。(b) - - - - - - 实际张力曲线不同直径的碳纳米管。

融合后,实际的张力被记录。显然,它反映了融合效果的 - - - - - - 散点图如图6(一)。拉伸力明显大于范德华力。更重要的是,照射时间越长,实际张力越大。

为了排除偶然事件,实验分为几组通过操纵不同直径的碳纳米管重复融合和AFM的挠度测量融合的效果。的 - - - - - - 融合拉伸力的散点图如图6 (b)。融合效果几乎是类似于三个不同的热合。电子束辐照方法融合石墨烯结构中具有普遍性。

另一个实验是为了验证融合不同放大倍数的影响。辐照时间被设置为不同放大倍数下2分钟。的 - - - - - - 实验得到的曲线。从图7,成为更大的放大倍数的增加。当放大倍数增加,该地区的观察成为小有电子收集。在这种情况下,更多的电子发出的电子枪达到碳原子的核外电子。实验表明,一个更大的放大倍数有更好的碳纳米管对融合的影响。


图7
力和放大实际拉伸力的关系曲线在不同放大倍。

这是观察到放大的力量变大增加。这种现象可能是由于电场力成像。因此,我们根据公式计算力,使下面的图表(35]: 在哪里 球体的直径, 是介电系数的情况下, 由电成像是静电力, 碳纳米管的介电系数。 (F / m); , (μC / m2]。图8表明之间的关系静电力和碳纳米管的直径。在这里采用对数线性力的计算是方便。的静电力与几十个纳米的碳纳米管可以通过这个图表计算函数的“ 。”计算后,我们发现,问的直径是几十个纳米,力是大约11 nN,同时融合力约为100神经网络。力的规模并不是一个数量级的融合力。因此,力可以忽略。放大时间增加时,与更多的电子收集观察区域变小了。总之,是融合的力量。


图8
lg (F)和lg (d)关系曲线电场成像不同直径碳纳米管。

电子束辐照的融合方法是可靠的。融合效果达到70%,比其他方法,不破坏原结构。电子束确实会引起碳氢化合物。然而,我们的实验真空是10−4Pa。在这一点上,烃分子的自由程是非常大的。理论上估计几百米的距离。但碳纳米管的直径数十纳米。碳氢化合物的数量积累碳纳米管表面的吸收是非常小的36]。因此,我们认为碳氢化合物吸收表面的碳纳米管可以被忽视。融合点和位置控制。

5。结论

本文提出了一种新的碳纳米管互连的方法。碳纳米管的拉伸力融合比范德华力更大。一个碳碳键是新生成的,因为通过电子束辐照的融合。这种互连方法可以连接不同尺度碳纳米管。一些小型电子设备可以由纳米操作技术的发展。该方法用于互连热合是坚固的,因为实际的张力增加只有从100年20 nN nN。在未来的工作中,会更加努力致力于互连制造nanotransistor热合的任意角度。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号61433010)和国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号2015 aa042601)。