Autorid: Polyakov, B; Vlassov, S; Dorogin, L; Antsov, M; Petruhins, A; Kink, I; Romanov, A; Lõhmus, R.
Pooljuhtmaterjalidest nanotraate (ülipeenikesed traadid, mille diameeter ei ületa 100 nanomeetrit) peetakse tulevikutehnoloogiates väga olulisteks materjalideks. Tänu nende väikestele mõõtudele on nanotraatidel väga erilised mehaanilised ja elektrilised omadused, mis teevad võimalikuks nende kasutamise nanoelektromehaanilistes rakendustes (NEMS). Üliväikeste mõõtmete tõttu ei kehti selliste “nanoseadmete” konstrueerimisel enamus klassikalisi füüsika- ja materjaliteaduse seaduseid. Kui hakkame vähendama klassikaliselt lihtsa elektromehaanilise seadme, nagu näiteks relee, mõõtmeid makroskaalast nanoskaalasse, siis ülisuure “nakke” tõttu muutub elektriliste kontaktide omavaheline eraldamine võimatuks. Seega on ülioluline mõõta ja analüüsida nanoskaalas süsteemide erinevaid parameetreid individuaalselt. Nanomõõtmeliste struktuuride positsioneerimine ja karakteriseerimine on kompleksne ja keeruline väljakutse hoolimata näivast lihtsusest. Siinkohal annabki üksikute nanotraatide omaduste uurimine nende ümberpaigutamisel olulist informatsiooni, mis on väga vajalik edasistes nanotehnoloogilistes rakendustes.
Käesolevas töös on uuritud pooljuhtmaterjalidest nanotraatide mehaanilisi ja hõõrdeomadusi, mis on hädavajalikud nanomõõtmeliste seadmete liikuvate osade valmistamiseks ja nende korrektseks toimimiseks. Erinevate omaduste mõõtmiseks oleme võtnud kasutusele skaneeriva elektronmikroskoobi sees paikneva nanomanipulatsiooni tehnoloogia, kus on XYZ suunas liikuv nanopositsioneer ning mis on varustatud originaalse jõusensoriga [1]. Selline eksperimendiseade võimaldab visuaalselt jälgida nanostruktuuride ümberpositsioneerimist koos samaaegse jõu mõõtmisega.
Näiteks määrasime Youngi mooduli väärtuse paigutades nanotraadi osaliselt üle aluse serva ja painutades selle vaba osa terava teraviku abil. Painutamisega samaaegselt registreerisime omavalmistatud sensorit kasutades selleks kuluvat jõudu (joonis1) [2]. Mõõtmised näitasid, et nanotraadid on sama materjali makroskaalas objektidega võrreldes palju jäigemad. Samas tuleb arvesse võtta, et tulemuste hajuvus on nanotraatide korral palju suurem kui makroskaalas, kuna nanomõõtmetes on materjalisisesed defektid juhuslikumat laadi.
Joonis 1. Youngi mooduli mõõtmine osaliselt fikseeritud ZnO nanotraadi korral SEM mõõtekambris.
Lisaks eelnevale arvutasime siledal ränialusel asuva nanotraadi staatilise ja kineetilise hõõrdeteguri väärtused kasutades algandmeteks paindes nanotraadi profiili [3]. Kineetilise hõõrdeteguri määramiseks lohistasime nanotraati keskpunktist ühtlaselt ristsuunas (sarnaselt saaks üksikut spagetti kahvli otsaga painutada ja liigutada). Joonisel 2 on toodud eksperimentaalsed pildid nanotraadi lohistamisel tekkinud kaarjast kujust, mis on määratud elastsus- ja hõõrdejõu omavahelisest tasakaalust. Kaare raadiust kasutades on võimalik välja arvutada kineetilise hõõrdeteguri väärtus konkreetse nanotraadi jaoks.
Joonis 2. Skaneeriva elektronmikroskoobi kujutis nanotraadi profiilist manipuleerimise eksperimendis. Teravik on puutes nanotraadiga ja nool näitab manipuleerimise suunda (a); osaliselt ümberpositsioneeritud nanotraat (b); täielikult nihutatud nanotraat (c); lõplik karakteerne kuju (d).
Staatilise hõõrdeteguri arvutamiseks painutasime nanotraati elastselt ja vaatlesime paindeolekut. Staatilise hõõrde maksimaalväärtuse saamiseks lükkasime pinnal asetsevat nanotraati ühest otsast kuni selle täieliku ümberpaiknemiseni. Paigale jääva nanotraadi osa staatilise hõõrde maksimaalväärtuse arvutasime paindeprofiilist, mille traat saavutas vahetult enne ümberpaiknemist [4] (joonis 3).
Joonis 3. Räni pinnal asetseva ZnO nanotraadi maksimaalse hõõrdeteguri määramine. Näidatud on SEM pildid, kus nanotraadi ühte otsa painutatakse AFM teravikuga ja osa nanotraadist jääb “nakkesse” alusega.
Üheks kõige olulisemaks nanomanipulatsiooni eksperimentide tulemuseks on, et erinevalt makroskaalast, sõltub nanoskaalas hõõrdumine väga palju kontaktis olevast pinnast ja pinna karedusest [5].
Arvutusmudelites kasutasime elastsete varraste teooriat, mille kohaselt nanotraati mõjutavad välised, hõõrde- ja elastsusjõud on omavahel tasakaalus (joonised 4 ja 5).
Joonis 4. Skeemil on näidatud tasapinnal paindes olev nanotraat pikkusega L ja läbimõõduga D ning lateraalsete jõu f jaotus.
Joonis 5. Keskpunktist jõuga Fapl-lat lükatud nanotraadi (pikkus L) kineetilise hõõrdejõu qkin jaotus.
.
.
.
.
Meie eksperimendid ja tulemused on andnud panuse nii nanomõõtmeliste objektide interaktsioonide ja käitumiste paremaks fundamentaalseks mõistmiseks kui ka arendanud uudset mõõtetehnoloogiat, mõõtetehnoloogiat saab edukalt kasutada ka teiste ühemõõtmeliste struktuuride uurimiseks (näiteks nanotorud).
Mesosüsteemide tippkeskuse projekti toetab Euroopa Liit läbi Euroopa Regionaalarengu Fondi
Viited
[1] Vlassov, Sergei; Polyakov, Boris; Dorogin, Leonid; Lõhmus, Ants; Romanov, Alexey; Kink, Ilmar; Gnecco, Enrico; Lõhmus, Rünno (2011). Real-time manipulation of gold nanoparticles inside a scanning electron microscope. Solid State Communications, 151(9), 688 – 692.
[2] Polyakov, Boris; Dorogin, Leonid; Vlassov, Sergei; Kink, Ilmar; Lõhmus, Ants; Romanov, Alexey; Lõhmus, Rünno (2011). Real-time measurements of sliding friction and elastic properties of ZnO nanowires inside a scanning electron microscope. Solid State Communications, 151(18), 1244 – 1247.
[3] Dorogin, Leonid; Polyakov, Boris; Petruhins, Andrejs; Vlassov, Sergei; Lõhmus, Rünno; Kink, Ilmar; Romanov, Alexey (2012). Modeling of kinetic and static friction between an elastically bent nanowire and a flat surface. Journal of Materials Research, 1 – 6.
[4] Polyakov, Boris; Dorogin, Leonid M.; Vlassov, Sergei; Kink, Ilmar; Romanov, Alexey E.; Lõhmus, Rünno (2012). Simultaneous measurement of static and kinetic friction of ZnO nanowires in situ with a scanning electron microscope. Micron, in press
[5] Polyakov, Boris; Vlassov, Sergei; Dorogin, Leonid; Kulis, Peteris; Kink, Ilmar; Lõhmus, Rünno (2012). The effect of substrate roughness on the static friction of CuO nanowires. Surface Science, 1393 – 1399. [ilmumas]
Leave a Reply