Samenvatting

Cover Page
The handle http://hdl.handle.net/1887/28966 holds various files of this Leiden University
dissertation
Author: Heeres, Erwin
Title: Manipulating carbon nanotubes towards the application as novel field
emission sources
Issue Date: 2014-10-02
S
Samenvatting
Dit proefschrift gaat over het onderzoek dat ik heb gedaan naar nieuwe
veldemitters. Een veldemitter, oftewel een veldemissie elektronenbron, wordt
gebruikt om een elektronenbundel te genereren door in een vacuümopstelling een
hoog spanningsverschil tussen de emitter (cathode) en een extractor (anode) aan
te brengen. Enige tijd geleden waren we allemaal nog gewend om naar beelden
te staren, die door middel van een elektronenbundel gegenereerd werden op een
CRT (kathodestraalbuis) televisie of computer monitor. Zo’n elektronenbundel
kan echter ook gebruikt worden voor microscopie (elektronenmicroscoop)
of lithografie (elektronenbundel lithografie, gebruikt in de chip industrie om
elektronica te produceren, etc.), waar deze bundel gefocusseerd kan worden tot
een veel kleinere spot dan mogelijk is met fotonen (licht). Hierdoor is het mogelijk
een hogere resolutie te behalen – oftewel om kleinere objecten te bestuderen of
kleinere structuren te schrijven – dan met optische microscopie of lithografie. De
kwaliteit van de elektronenbundel bepaalt onder andere de resolutie en schrijftijd
in deze processen. Voor een betere elektronenbundel kan gewerkt worden aan het
verbeteren van de elektronenoptica of de elektronenbron, waarbij wij gekozen
hebben voor het laatste. Met een betere elektronenbron kan ook de tijd om een
beeld met een elektronenmicroscoop te maken verkort worden en kunnen processen
bestudeerd worden met een hogere resolutie. In het geval van elektronenbundel
lithografie kan een betere bron een hogere doorstroming leveren.
166 Samenvatting
Wij hebben gekozen om elektronenbronnen te maken door middel van het
monteren van individuele nanostructuren, zoals nanobuizen en nanodraden, op
scherpe, geleidende naalden. In deze context betekent nano dat de diameter van een
dergelijke nanobuis of nanodraad zich in de grootte orde van één tot tien nanometer
bevindt, waarbij de lengte ervan niet vastgelegd is; een grote aspect ratio is dus
mogelijk. Deze nanostructuren hebben interessante elektrische en/of mechanische
eigenschappen, die ze tot aantrekkelijke kandidaten voor nieuwe elektronenbronnen
maken. Met behulp van een nanomanipulator in een elektronenmicroscoop, zijn we
in staat om een individuele nanostructuur te selecteren en te monteren op zo’n
scherpe naald. In een veldemissie opstelling wordt de naald met de nanostructuur
(de cathode of emitter) voor een extractor (anode) geplaatst waarna er een elektrisch
spanningsverschil tussen beide wordt aangebracht. Het resulterende elektrische
veld heeft een maximum aan het eind van de uitstekende nanostructuur, waardoor
de elektronen de emitter verlaten door het einde van deze nanostructuur. De
resulterende elektronenbundel kan op verschillende manieren bestudeerd worden.
De totale stroom van de elektronenbundel kan als functie van de tijd gemeten
en bekeken worden, maar het is ook mogelijk om de elektronendichtheid in een
crosssectie van de bundel te plotten, ook wel een veldemissie patroon genaamd.
Dit veldemissie patroon, verkregen met behulp van een zogenaamde veldemissie
microscoop (FEM), geeft informatie over de vorm en elektronische structuur
van de emitterende nanostructuur. Aangezien we dus een sample hebben met één
enkele emitterende nanostructuur, kunnen we vervolgens proberen om dit patroon
te relateren aan de morfologie van deze structuur. Om in nog meer detail de vorm
van de emitter te relateren aan de veldemissie karakteristieken, kunnen we voor
en/of na de veldemissie experimenten de emitter afbeelden met een hoge resolutie
transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). De theorie waarmee we het veldemissie
proces kunnen beschrijven, is te vinden in Hoofdstuk 2.
Een koolstofnanobuis kan worden beschouwd als een enkele platte laag
koolstofatomen in een hexagonaal rooster (kippengaas) – ook wel grafeen genaamd
– opgerold tot een cilinder. De twee uiteinden van deze cilinder kunnen open of
gesloten zijn, waarbij de gesloten variant de energetisch voordeligere en stabielere
configuratie is. Omdat het in onze veldemissie experimenten waarschijnlijk is dat de
167
elektronen uit een van deze uiteinden komen, is het belangrijk om de toestand van
dit uiteinde in onze experimenten te kennen, of om dit te controleren. We hebben
gevonden dat het emissiepatroon van een van nature gesloten koolstofnanobuis een
symmetrie vertoont die gerelateerd kan worden aan de symmetrische posities van
de koolstofatomen die het bolvormige uiteinde vormen. Zo’n bolvormig uiteinde
kan worden voorgesteld als een halve voetbal, bestaande uit vijf- en zeshoeken,
oftewel pentagons en hexagons. De koolstofatomen bevinden zich hierbij op de
hoeken van de pentagons en hexagons. Experimenten aan koolstofnanobuizen met
een dergelijk gesloten uiteinde worden beschreven in Hoofdstuk 6.
Bij het selecteren en monteren van een nanostructuur bepaalt de performance
van de elektronenmicroscoop – waarin het monteren plaatsvindt – wat er
mogelijk is. Bijvoorbeeld of het mogelijk is om één enkele nanostructuur te
identificeren. Of dat het bekijken van de nanostructuur met de elektronenbundel
de nanostructuur beschadigt. Door de aanschaf van een nieuwe hoge-resolutie
rasterelektronenmicroscoop (SEM) in onze vakgroep in Leiden, ontstond de
vraag naar een nieuwe nanomanipulator. Aangezien deze microscoop strengere
eisen stelt aan de hiervoor gebruikte materialen, was het niet mogelijk de reeds
bestaande opstelling bij Philips laboratoria in Eindhoven te kopiëren. Door deze
beperkingen en mede door onze ervaringen met nanomanipulatoren, zoals die
bij Trinity College in Dublin, zijn we tot een compleet nieuw ontwerp gekomen.
Alhoewel de gehele ontwikkeling en fabricage langer duurden dan verwacht, was
het resulterende instrument veel veelzijdiger dan van tevoren verwacht, zoals in
Hoofdstuk 3 te lezen is. Samenwerkingen met andere groepen, zoals de Quantum
Transport groep aan de Technische Universiteit Delft en de Quantum Optica groep
in Leiden, leidden tot succesvolle experimenten aan samples gefabriceerd met
onze nanomanipulator opstelling. De gebruikte technieken bij het monteren van
nanostructuren op scherpe naalden worden beschreven in Hoofdstuk 4.
We hebben ontdekt dat we de hoge stroom van de elektronenbundel in de nieuwe
elektronenmicroscoop konden gebruiken om nanobuizen door te branden en ze
zodoende op lengte te maken. Omdat deze methode de toestand van het uiteinde
verandert, hadden we een manier nodig om het uiteinde te repareren. We zijn er
168 Samenvatting
gedurende veldemissie experimenten in geslaagd om opnieuw een gesloten uiteinde
te creëren aan koolstofnanobuizen die op deze manier ingekort waren, zie hiervoor
Hoofdstuk 5.
Naast koolstofnanobuizen hebben we ook de veldemissie eigenschappen van indium
arseen (InAs) nanodraden onderzocht. Nanodraden zijn massieve cilinders van een
bepaalde stof, met specifieke elektrische en/of mechanische eigenschappen. In het
geval van halfgeleidende InAs nanodraden, verwachtten we een elektronenbundel
te kunnen genereren met een bijzonder lage energiespreiding. In Hoofdstuk 7
staat beschreven hoe we deze nanodraden hebben gemonteerd op scherpe naalden
– waarbij we hun lengte hebben gecontroleerd – en vervolgens veldemissie
experimenten hebben uitgevoerd.

Download Report