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John Paul Pineda, Gerald Pascual, Byong Kim, and Keibock Lee Park Systems Inc., Santa Clara, CA USA

摘要

导电性测量是一种有效的方法, 可用来描述某些特殊应用中材料的特性与行为,从能量存储和能量转换元件,到分子元件电路以及纳米级半导体元件。导电探针原子力显微镜(CP-AFM)是其中一种相当有用的技术,它可以提供精确的纳米级测量和先进材料如CNTs膜的导电性的相对分布图。在过去的十年中,几种检测被引入来研究这些材料,然而,绝大多数只能测量有限的电性范围。在这项研究中,配备CP-AFM的Park NX20被用来研究具有广泛导电性的3种不同的材料。实验所得数据清晰地证明了,这项技术借由整合对数型电流放大器于系统中,可利用来测量不同导电材料的典型表征,以及提供薄膜材料的导电率空间解析图。

介绍

碳纳米管(CNTs)由于其独特的电学性能引起了世界范围内的广泛关注和工业兴趣[1, 2] 。 在过去的十年中,已在许多不同的应用范围证明,从能量存储和能量转换装置到分子电子学和纳米级半导体器件的互相连接 [ 3, 4 ]。 CNTs可以表现为金属或半导电材料,这取决于它们原子的排列,它们的手性(扭曲程度),以及它们的大小(直径和长度)[1,2]。 碳纳米管的导电性在描述其行为及其对科学和电子学的意义方面起着重要的作用。因此,利用一种能够有效测量这些新材料导电性能的技术是非常重要的。 然而,由于其脆性特征和纳米级尺寸,测量其局部性质已成为许多研究人员和设备工程师的巨大挑战[5, 6 ]。 有几种方法被引入来表征这些材料,最常见的是扫描隧道显微镜(STM)、透射电子显微镜(TEM)和聚焦离子束(FIB)。 [5, 7, 8] 然而,这些技术是具有一定的破坏性的,有些具有有限的测量和性能表征模式,有些需要高真空环境。为克服这些问题,设计出了最有力的工具之一,导电探针原子力显微镜(CP-AFM)。 该技术可以同时获得电学性能和形貌图,电学性能是通过监测导电针尖和样品之间流动的电流,形貌图则通过监测针尖在样品表面上的扫描时的悬臂偏转。 / 在这项研究中,Park NX20配备CP-AFM被用来研究具有广泛导电性的3种不同的材料: 1) glass, 2) silver and 3) CNTs film。实验所得数据清晰地证明了这种技术在测量各种导电材料所覆盖的材料的导电率和微分表面的能力。 此外,该技术可以有效地区分不同类型的导电材料所覆盖的区域。

实验

样品和探针

在本实验中研究的样品是碳纳米管膜,沉积在玻璃衬底上以形成薄膜层。随后,将银电极装饰到表面以进行电接触。在整个测试中使用了导电金刚石涂层探针(NANOSENSORS⑩ CDT-CONTR),弹性常数k=0.5n/m和共振频率f=20 kHz。

CP-AFM实验条件

使用Park NX20 AFM系统在大气条件下进行CNT薄膜样品研究,45×45μm扫描范围输出256×256像素的图像。图1显示了CP-AFM的原理。 在操作过程中可以同时获得样品的形貌和电学性质。 形貌数据是通过监测导电探针在接触下对样品表面扫描时的悬臂的偏转信号而获得的。 另一方面,通过测量在导电探针和样品之间施加偏压时所产生的电流来获得导电性。 导电性是通过电流放大器测量的。在这个实验中,使用的偏压是正的0.3V,使用该值可以观察到最佳电流分布。 通常,电流由电流放大器获取后被处理成图像。 Park NX20配备了可变增益为106~1012V/A的内部电流放大器,然而,由于样品由不同的材料组成,其导电性从几乎不导电的0μA到相对良好传导的23.18μA, 因此在实验中使用了适合于该范围的对数放大器。

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图1.导电探针AFM原理。该图表明,AFM控制器的反馈控制这项技术可以同时获得表面形貌和导电性数据。通过监测悬臂的偏转信号获得形貌数据,而通过使用电流放大器测量隧穿电流获得导电性。

结果与讨论

使用Park Systems开发的XEI软件对采集的图像进行分析,将采集到的信号映射到颜色表。对于形貌图像,阴影的强度与表面高度的变化相关,其中明亮和黑暗区域分别代表高区域和低区域。图2显示了CNTs薄膜样品的形貌和电流图像。形貌数据清晰地表明样品表面的45μm×45μm扫描范围内由高度不同的区域组成,可以划分为3个区域。可以观察到,最低高度的区域具有相对光滑的表面,这表明该区域是玻璃衬底。另一方面,具有相对粗糙表面的两个区域,是CNTs和Ag材料。为了验证这一点,使用XEI软件计算每个区域的表面粗糙度。测量的玻璃基板的表面粗糙度约为1.48 nm,而其他两个区域具有大约14.25和14.71 nm 。 由于CNTs和Ag具有几乎相同的特征,通过简单地观察形貌数据很难区分这两种材料。
当前图像清楚地区分了样品的材料成分,并且还表明样品的表面被划分为3个区域。 导电性最高的区域用红色表示,而导电效率较低的区域用绿色表示,而非导电区域用棕色表示。 在CNTs膜的3种材料组成中,Ag具有最高的导电性,而CNT具有第二高的导电性,玻璃具有最低的导电性。(9)

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图2.从CNTS薄膜样品获得的形貌图(左上)和电流图(右上)。扫描尺寸:45×45μm,图像像素尺寸:256×256像素。从CNTS薄膜样品中获取的电流图像。形貌轮廓线(红线,Y轴在左边)和电流轮廓线(绿色,Y轴在右边)。

如果分析形貌和电流图像的对应线轮廓,则形貌中最高的区域是电流图像中具有最高电导性的区域,已知为Ag材料,而具有第二高的区域CNTs 膜,玻璃衬底最低。 导电性在测量电流值方面的定量结果如表2所示。 Ag的平均导电性约为23.56μA,而CNT的平均导电性为0.98μA,玻璃的平均导电性为0μA。 为更好地分析数据,结果绘制在了在图3。 还计算了导电性结果的标准偏差。 玻璃样品区域具有最低的标准偏差STD=0 A,而Ag样品区域具有最高的标准偏差STD=8。

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表1.测量电流的平均值和标准差(STD)。

 

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图3 测量电流平均标准偏差的绘制值。

总结

利用包含CP-AFM的Park NX20系统对CNTs薄膜的形貌和导电性进行了表征。本实验中收集的数据表明,这项技术可以为高级材料的电特性提供定性和定量的信息。此外,结果表明,这种技术在测量各种导电材料所覆盖的材料的导电率和微分表面上是一种有效的手段,并利用了集成在系统中的对数电流放大器。总体而言,本研究中所描述的这项技术所包含的电学参数信息将成功地帮助研究人员和设备工程师更好地了解某些材料的独特性能,如碳纳米管。

参考文献

1.Y. Xue, Experimental Study of Electrical Conductivity of Carbon Nanotube, Nanofiber Buckypapers and Their Composites.
2. P. Collins, et al., The Electronic Properties of Carbon Nanotubes.
3. J. Brito, et al., Nanostructured films from phthalocyanine and carbon nanotubes: Surface morphology and electrical characterization. Journal of Colloid and Interface Science, Volume 367, Issue 1, 1 February 2012, Pages 467-471.
4. J. Maklin, ELECTRICAL AND THERMAL APPLICATIONS OF CARBON NANOTUBE FILMS
5. Z. Wang, et al., Measuring physical and mechanical properties of individual carbon nanotubes by in situ TEM. Journal of Physics and Chemistry of Solids 61 (2000) 1025–1030.
6. M. Li, et al., Analysis of variance on thickness and electrical conductivity measurements of carbon nanotube thin films. Published 19 July 2016 • © 2016 IOP Publishing Ltd, Measurement Science and Technology, Volume 27, Number 9.
7. K. Lee, Failure analysis and the innovative PinPoint™ conductive AFM
8. G. Homyak, et.al, TEM, STM and AFM as tools to study clusters and colloids. Micron, Volume 29, Issues 2–3, April–June 1998, Pages 183-190. https://doi.org/10.1016/S0968-4328(97)00058-9
9. A. Helmenstine, Table of Electrical Resistivity and Conductivity.

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