Nanomanipulação e caracterização de nano-objetos individuais por experimentos in situ de microscopia eletrônica

• Main Author: Nakabayashi, Denise Basso
• Other Authors: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: [s.n.] 2007
• Subjects: Nanomanipulação; Nanoobjetos; Experimentos in situ; Microscopia eletrônica; Nanomanipulation; Nanoobjects; In situ experiments; Electron microscopy
• Online Access: NAKABAYASHI, Denise Basso. Nanomanipulação e caracterização de nano-objetos individuais por experimentos in situ de microscopia eletrônica. 2007. 63f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/277605>. Acesso em: 8 ago. 2018.; http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/277605

Orientador: Daniel Mario Ugarte === Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin === Made available in DSpace on 2018-08-08T03:21:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nakabayashi_DeniseBasso_D.pdf: 11254474 bytes, checksum: 322d16fa27f12c3eba14b8083c744b09 (MD5) Previous issue date: 2007 === Resumo: Há grandes expectativas de que, no futuro, componentes de alta tecnologia sejam baseados em novas e inesperadas propriedades físicas e químicas de objetos nanométricos. Muitas aplicações exigem que nano-objetos sejam posicionados precisamente em áreas bem definidas de um componente. Entretanto, os métodos estabelecidos de manipulação física usados na escala macroscópica não são aplicáveis na escala nanométrica. Muitas questões continuam em aberto e os avan»cos no estudo de nanossistemas são lentos. Muitos experimentos tem explorado a manipulação física usando microscopias de força atômica (AFM) e de tunelamento (STM), mas, nestes métodos, manipulação e observação não podem ser realizadas simultaneamente. Os microscópios eletrônicos de varredura (SEM) e de transmissão (TEM) são equipamentos essenciais no estudo de nano-objetos devido µa sua alta resolução e µa possibilidade de observar os movimentos realizados in situ em tempo real. Unindo esta técnica ao uso de nanomanipuladores, obtemos uma ferramenta poderosa para manipular e caracterizar nano-objetos. Existem diversos nanomanipuladores comerciais que operam em SEMs. Entretanto, o custo destes instrumentos é elevado, e os mesmos ficam restritos a grandes centros de pesquisa. Nesta tese, descrevemos o desenho, construção e aplicação de nanomanipuladores com uma ou duas pontas de prova, cujos sistemas são baseados em mecânica simples e materiais de baixo custo. Estes sistemas operam dentro de um SEM equipado com um canhão por emissão de campo (FEG-SEM, JSM-6330F, resolução nominal 1.5 nm a 25 kV). Os movimentos grosseiros são baseados em um sistema elásticos (um eixo de movimento) e em uma modificação inovadora deste sistema. Em tal modificação, dois sistemas elásticos são acoplados, o que gera movimentos em dois eixos. Quanto aos movimentos finos, um conjunto de elementos piezoelétricos é responsável pelo deslocamento preciso em três eixos independentes de cada ponta de prova. O porta-amostra possui um grande deslocamento (15 mm), o que nos permite trabalhar com várias amostras em um mesmo experimento. Os instrumentos desenvolvidos permitem uma grande variedade de experimentos de nanomanipulação e nanocaracterização, incluindo a medicão de correntes e a aplicação de voltagens. Os sistemas foram usados em diversos experimentos, tais como: a) fabricação de pontas de AFM de alta razão de aspecto baseadas em nanotubos de carbono multi-camadas; b) coletar, mover e posicionar nanofios semicondutores (100 - 300 nm de diâmetro, microns de comprimento) em contatos elétricos pré-definidos ou em áreas específicas de uma amostra; c) fabricação e caracterização elétrica de dispositivo eletrônico baseado em nanofios semi-condutores; d) caracterização das propriedades mecânicas de nano-objetos unidimensionais, como nanotubos de carbono e nanofios; etc. Finalmente, nossos resultados de manipulação demonstram que existem muitas oportunidades para a aplicação de manipulação física no método "bottom-up"em nanotecnologia === Abstract: It is expected that, in the future, high-technology devices should be based on new and unexpected physical and chemical properties of nanometric objects. Many applications require nano-objects to be selectively positioned at well-defined positions of a device. However, the well-established methods of physical manipulation used in the macroscopic scale are not applicable in nanoscale. Here, there are lots of open questions and the progress is still rather slow. Several experiments have exploited physical manipulation using atomic force microscopy (AFM) and scanning tunnelling microscopy (STM), but, in these techniques, manipulation and observation can not be performed simultaneously. The scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopes are essential equipments for studying nano-objects due to their high resolution and to the possibility of observing performed movements in real time. Those techniques, together with the use of nanomanipulators, are powerful tools to manipulate and characterize nano-objects. There are several commercial nanomanipulators for SEMs. However, the price of these instruments is reasonably high, and they become restricted to a few research groups. In this work, we report the development and applications of home-made nanomanipulators (with one or two probe tips) whose systems are based on simple mechanics and on low-cost materials. They operate inside a FEG-SEM (JSM-6330F, 1.5 nm nominal resolution at 25 kV). The coarse movements rely on parallel guiding spring based mechanics (one axis of movement) and on two overlapped parallel guiding spring based mechanics (two axes of movement). The precise movements are due to an ensemble of piezoelectric elements that has three independent axes of movement for each probe tip. The sample support has a large range (15 mm) on one axis, which allows working with several samples during the same experiment. The instruments are suitable for a wide spectrum of nanomanipulation and nanocharacterization experiments, including measuring currents and applying voltages. The systems have been used for a variety of applications, such as: a) fabricating high aspect-ratio AFM tips based on multi-walled carbon nanotubes; b) collecting, moving, and positioning semiconductor nanowires (100 - 300 nm in diameter, microns in length) on predefined electrical contacts or special sample sites; c) fabrication and electrical characterization of an electronic device based on semiconductor nanowires; d) characterization of mechanical properties of one-dimensional nano-objects, as carbon nanotubes and nanowires; etc. Brie°y, our manipulation results demonstrate that there are plenty of opportunities for applications of physical manipulation in the bottom-up approach to nanotechnology === Doutorado === Física da Matéria Condensada === Doutor em Ciências