The subject of this dissertation is an energy dissipation mechanism of nanoelectromechanical system in various gas environments. This research comprised a dielectrophoretic assembly of individual carbon nanotube on a micro structure, measurement of the nanomechanical motion and study of the interaction between nanotube and gas molecules.
We report the controlled dielectrophoretic assembly for the deterministic fabrication of carbon nanotube (CNT) cantilevers. Electrical detection was applied to the dielectrophoretic assembly of CNT cantilevers. Dielectrophoretic manipulation with an AC electric field of 5MHz was used to form the CNT bridge across oppositely aligned tungsten tips (W-tips). A DC electric field was simultaneously applied to monitor the direct current flowing through the gap. The detected nanocurrent reveals that the CNT bridge is formed between W-tips in real-time. We compared current data with bundle diameter of CNT cantilevers in FE-SEM images. As the number of assembled CNTs increased, current was increased. With the obtained linear relationship, the number of the attached CNTs can be estimated without confirmation of the FE-SEM image. This combined use of the current detection method with dielectrophoretic manipulation will provide a reliable process for the fabrication of CNT cantilevers.
Two measurement methods were proposed to detect the nanomechanical motion of CNT cantilevers: capacitive measurement with I/Q demodulation and fluorescence intensity analysis. Firstly, we propose a homodyne detection method that employs an in-phase (I) and quadrature (Q) demodulation circuit used to determine the frequency response of nanotube cantilever. Capacitive measurement has been used to detect electromechanical motion in MEMS. But signal to noise ratio is major problem in use of nanomechanical system. Parasitic capacitance is block motional capacitance signal. This problem is more critical when size of cantilever is in nanometer scale. Recently, harmonic detection method was reported to increase SNR. To obtain a frequency response of cantilever, a lock-in-amplifier (LIA) is needed. However, the high cost and volume of LIA is limitation of measurement system. In this paper, we propose a homodyne detection method that employs an in-phase (I) and quadrature (Q) demodulation circuit used to determine the frequency response of nanotube cantilever.
To detect the frequency response of a MWNT cantilever, a fluorescence method is also newly proposed. Fluorescent dyes are attached to the end of the MWNT cantilever to obtain the integrated CCD images for a certain range of excitation frequencies. From the CCD images, we extract the best fitted Gaussian intensity distribution function which provides the vibration amplitude information of the MWNT cantilevers. The frequency response obtained by the proposed visual measurement method allows us to compute the resonant frequency, Q-factor and the bending modulus of MWNT, which matches with the known results. Moreover, the measured Q-factors ranging between 0.88 and 4.89 for the MWNT cantilevers apparently prove that the energy dissipation characteristics of nano-scale cantilevers in open atmospheric conditions can be described by the free molecular flow model. Because of its simplicity, the proposed method can be easily extended to various applications requiring nano-scale motion detection.
Finally, we concluded the gas damping of MWNT cantilevers, which have a diameter of ~100nm and work in atmospheric condition, can be described by the free molecular flow model. And dependency of gas damping on average molecular mass was experimentally evaluated. The expeimental results show that the gas damping of nanomechanical system serves a novel sensing parameter to determine the nature or concentration of gas.
본 연구에서는 단일의 다중벽 탄소나노튜브를 이용하여 켄틸레버를 제작하고 공진하는 탄소나노튜브의 감쇠를 측정하여 켄틸레버 주변기체의 조성 및 농도를 측정하는 방법을 제안하였다. 탄소나노튜브는 기계적 강도가 실리콘 등 기존 물질에 비해 월등하며, 밀도가 낮은 재료로서 기계적 공진 시스템의 재료로 매우 적합한 물리적 특성을 가진다. 하지만 단일의 나노튜브 센서로 응용하기 위해서는 원하는 위치에 나노튜브를 조립하고 그 변위를 측정할 수 있는 기술이 선결되어야 한다. 학위논문 내용은 크게 세가지로 나눌 수 있다. 첫째, 탄소나노튜브 켄틸레버의 제작. 둘째, 나노튜브 켄틸레버의 진동 변위측정 시스템 구축. 셋째, 주변 기체 환경변화에 따른 주파수 응답특성 분석이다.
본 연구에서는 탄소나노튜브 켄틸레버 제작을 위해 유전영동방법을 이용하였다. 유전영동은 불균일한 전기장이 가해진 유체 내에서 전기적으로 중성인 입자가 전기장의 구배에 의한 힘을 받는 현상이다. 유전영동을 이용하여 탄소나노튜브를 원자력간 힘 현미경 (Atomic force microscopy) 팁 끝단에 부착하는 연구는 이미 보고된바 있다. 하지만 유전영동 현상을 모니터링 하고 조절하는 방법의 부재로 조립성공 수율 30%로 매우 낮다는 단점이 있었다. 본 연구에서는 조립과정을 전기적으로 모니터링하여 탄소나노튜브의 유전영동 조립을 컨트롤 할 수 있는 방법을 제안하였다. 유전영동을 위한 교류전원을 가하는 동시에 조립되는 과정을 마이크로 간극의 임피던스 변화를 측정하는 방법이다.
나노켄틸레버의 진동 변위 측정을 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy), 투과전자현미경 (Transmission electron microscopy)등이 적용되어 왔으나, 고진공 환경이 요구되어 제안된 방법에 적합하지 못하다. 표준 대기압 환경에서 진동하는 나노켄틸레버의 변위를 측정한 예는 간섭계, 도플러 진동계 등을 이용한 것으로, 광학적인 한계에 의해 100nm 이하의 직경을 가지는 나노켄틸레버는 측정이 불가능했다. 본 연구에서는 나노튜브 켄틸레버 끝 단에 형광입자를 부착시켜 회절한계를 극복하는 방법을 제안했다. 탄소나노튜브의 끝 단을 전해에칭 함으로서 끝단이 카르복실기(-COOH)로 기능화를 하여 표면에 아민기(-NH2)를 가진 형광 나노입자와 정전기적 결합이 가능하게 하였다. 조립된 나노튜브 켄틸레버는 정전기력에 의해 가진된다. 탄소나노튜브 켄틸레버와 약 3$mum$ 거리를 둔 상대전극에 직류, 교류 전원을 가하고 전원의 주파수를 변화시키면, 켄틸레버의 공진현상을 관찰할 수 있었다. 획득된 형광이미지를 이용하여 켄틸레버 끝단의 변위를 계산하기 위해 수정된 가우시안 함수를 제안하였고 최소자승법을 이용한 최적화 방법으로 각 주파수에서의 변위를 구했다.
제안된 방법의 검증을 위해 분석적, 실험적 방법을 사용하였다. 분석적 검증에서는 기체의 점성유동영역, 자유분자유동영역에서의 해석을 수행하였다. 진동하는 물체의 크기가 작아짐에 따라 기체의 점성의 효과는 줄어들고 기체분자와 진동하는 물체의 탄성 충돌에 의한 효과가 커진다. 나노미터 크기의 지름을 갖는 나노튜브 켄틸레버의 경우 자유분자유동에 의한 기체 감쇠의 영향을 받게 된다. 자유분자유동에서의 기체감쇠에 의한 Q값는 기체의 평균 분자량의 함수로 표현된다. 특정기체의 대기로의 유입에 따라 켄틸레버 주변의 평균분자량이 변하게 되고, 켄틸레버의 Q값을 측정 함으로서 유입된 특정기체의 조성 및 농도를 예측할 수 있다. 헬륨 및 아르곤을 이용한 실험에서는 각 기체의 농도에 따른 Q값을 측정하였다. 그 결과 해석적으로 예측된 바와 같이 기체의 평균 분자량의 변화에 따라 기체감쇠의 크기의 변화를 관찰 할 수 있었으며, 기체의 조성 및 농도를 측정 할 수 있었다.
본 연구는 나노켄틸레버를 이용한 기계적 가스 측정방법의 기반기술 확보를 위한 연구로 진행되었다. 제안된 방법은 기존의 전기화학적 방법과 달리 기계적 에너지 변환을 이용하는 방법으로 빠른 응답성과 고민감도의 장점을 가진다. 또한 특정기체 분자를 감지하기 위한 표지물질로 센서를 기능화할 필요가 없기 때문에 영구적인 사용이 가능하다. 따라서 향후 나노켄틸레버의 기계적 에너지 변환을 이용한 장치는 가스 센서분야에 핵심적인 기술로 적용될 것으로 예상된다.
