In this thesis, a novel technology and method to assembly a single carbon nanotube having special mechanical, electrical and chemical properties is proposed.
Recently, the use of various nano materials in nanoscale science and engineering has been widely researched. Carbon NanoTubes (CNTs), in particular, are the most popular subject of research in nanotechnology. Since their discovery in 1991, CNTs have been used in many nanoscale applications due to their unique mechanical, electrical and chemical properties. Because of these special characteristics, CNTs are a prime candidate for numerous microscale and nanoscale sensors and devices such as Field Emitted Display (FED), fuel cells, transistors, and chemical or bio sensors.
The attraction of MWNTs to the gap region and the alignment of MWNTs with optimal orientation for assembly on the tip have been accomplished by applying an electric field in an aqueous solution. Several driving forces can be considered for the attraction and alignment of an MWNT. Dielectrophoresis, which is the translation motion of neutral matter caused by the polarization effect in a nonuniform electric field, should be carefully distinguished from electrophoresis, which is the motion caused by the response to a free charge on a CNT in an electric field. Electrophoresis arises in both of a uniform and a nonuniform electric field. As mentioned, a charged particle is attracted to an electrode of opposite polarity in any electric field. In the case of a neutral particle, polarization occurs in a uniform and a nonuniform electric field but the particle will not move toward either electrode in the uniform electric field because the electric field intensity keeps its balance. A neural particle polarized in an electric field moves to the region of highest field intensity in a nonuniform electric field.
Through the repeated experiments, the optimal electrical, experimental conditions for aligning and attaching carbon nanotubes in the desired place were obtained. By using this method, we made a single semi-conducting SWCNT (Single-Walled Carbon NanoTube) transistor through the burning technique. On the base of the obtained CNTs assembly technique, we fabricated single CNT-attached AFM tips. We used 80 percent purified MWNTs with an average length of 3 ㎛to 4㎛ and a diameter of 15 nm to 20 nm. The applied AC voltage was 0.6 Vpp/㎛ to 0.7 Vpp/㎛ at 5 MHz, and the volume of the drops of the MWNT solution was 0.5 ㎕to 1㎕.
To develop the fabrication performance of carbon nanotube tip, the variation of the structure’s shape is proposed. From the simulation and experiments, I verified that the blunt tip is more effective than sharpened or cylindrical tip in making single CNT-attached AFM tip. The blunt tips have a 35 percent yield of AFM tips with a single MWNT attached.
This research is about the CNTs assembly technique, and we have obtained a single CNT-attached AFM tip. In the future, we have a plan to make a CNT tip array system. This technique will be applied in not only AFM tips, but also bio, chemical sensors, lab-on-a-chip and memory chip.
본 논문에서는 매우 독특하고 특별한 기계적, 전기적, 화학적 특성을 가지고 있는 카본나노튜브를 이용하는 것으로서 원하는 곳에 하나의 카본나노튜브를 부착시키는 새로운 기술을 제안한다. 최근에, 나노 관련 연구에서는 많은 다양한 나노 물질이 사용 되어지고, 또한 연구되어져 왔다. 특히, 카본나노튜브(CNT)는 나노 기술에 있어서 매우 인기있는 주제 중 하나이다. 1991년 처음 발견된 이후, 카본나노튜브는 독특한 기계적, 전기적, 물리적, 화학적 특성으로 인해 많은 나노 관련 연구에 응용 연구 되어져 왔다.
이러한 독특한 특성들 때문에, 카본나노튜브는 field emission display, fuel cell, transistors, chemical or bio sensors와 같은 센서나 장치에 적용되는 최적의 재료로 연구되어지고 있다. 두 전극 사이나 팁 끝에 카본나노튜브를 정렬, 부착시키는 것은 카본나노튜브가 들어있는 용액에 전기장을 가하여 얻어진다. 몇 가지 힘들이 카본나노튜브를 정렬, 부착시키는 데에 이용되어지지만, 본 연구에서는 nonuniform한 전기장에서 발생하는 유전영동(Dielectrophoresis)를 이용하여 원하는 곳에 카본나노튜브를 정렬, 부착시킨다. 반복된 실험을 통해, 하나의 카본나노튜브를 정렬, 부착시킬 수 있는 가장 적절한 전기적, 실험적 조건을 얻었다. 이러한 방법을 이용하여, burning 기술을 이용한 하나의 반도체성 단일벽 카본나노튜브가 부착된 트랜지스터를 제작하였다. 또한, 이 방법을 3차원 구조물에 적용하여 AFM 팁 끝에 하나의 카본나노튜브가 부착된 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 80% 정제되었으며 3~4㎛의 길이와 15~20nm의 직경을 가진 다중벽 카본나노튜브를 사용하였다. 0.6~0.7Vpp/㎛ at 5 MHz의 전기장을 가했으며 0.5~1㎕의 용액을 떨어뜨렸다.
카본나노튜브 팁의 제작 성능을 향상시키기 위해 다양한 형상의 AFM tip을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해, 하나의 카본나노튜브를 팁에 부착시키기 위해서는 날카롭거나 원통형의 팁 보다 끝이 약간 둥근 형태의 blunt 팁이 매우 효과적임을 확인하였다. 이러한 형상의 변화를 통해, 35%의 성공률로 하나의 카본나노튜브가 부착된 CNT tip을 제작할 수 있었다.
본 연구는 카본나노튜브의 정렬에 관한 연구로서, 전기장을 이용하여 하나의 카본나노튜브가 부착된 팁을 제작하였다. 앞으로 tip array를 만들 계획이 있으며, AFM tip 뿐만 아니라 각종 센서, lab-on-a-chip, 메모리와 같은 장치에 적용할 계획입니다.
