[논문 리뷰] Length distribution of single walled carbon nanotubes determined by ac atomic force microscopy

Richard D. Piner, Rodney S. Ruoff|arXiv (Cornell University)|2002. 06. 07.

Carbon Nanotubes in Composites인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 디메틸포름아미드(DMF)에 분산된 개별 단일성탄나노튜브(SWCNTs)를 정밀하게 측정하기 위해 최적화된 조절 주파수의 원자력현미경(AFM)을 사용하는 방법을 제시한다. 주요 결과로는 300 nm에서 피크를 이룬 길이 분포와 평균 길이 480 nm를 도출하였으며, 반복적인 희석, 초음파 처리 및 정밀한 AFM 파arameter 제어를 통해 단일 튜브와 소형 군집을 구분할 수 있었다.

ABSTRACT

A simple method to disperse individual single walled carbon nanotubes (SWCNT ) on an atomically flat substrate is presented. Proper tuning of ac modes of atomic force microscopes(AFM) is discussed. This is needed to discriminate between individual nanotubes and very small bundles. The distribution of lengths of the nanotubes measured by these methods is reported.

연구 동기 및 목표

• 튜브가 군집화 경향이 있고 쉽게 이동할 수 있기 때문에 개별 SWCNT 길이를 측정할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 마이카와 같은 기질에서 낮은 부착력과 표면의 매끄러움으로 인해 AFM 영상 촬영이 어려운 문제를 해결하기 위해.
• 원자적으로 평탄한 기질에 고립되고 안정된 SWCNT를 확보할 수 있는 재현 가능한 분산 프로토콜을 수립하기 위해.
• 높이 및 대trast 기반으로 단일 튜브와 소형 군집을 구분하기 위해 ac-AFM 조절 파aram터를 최적화하기 위해.
• 레이저 에이블레이션 유래 샘플에서 SWCNT의 통계적 길이 분포를 규명하기 위해.

제안 방법

• 톨루엔 용액에서 유래한 SWCNT를 1:1,000,000 희석 및 16시간 초음파 처리를 통해 DMF에 분산시켰다.
• 두 개의 깨끗이 갈라진 마이카 시트 사이에 DMF/튜브 혼합물을 끼워 샘플 제작을 통해 건조 및 균일성 제어를 수행했다.
• 비장착형 비접촉 초고감도 캔틸레버를 사용한 간헐적 접촉 방식의 ac-AFM를 두 대의 Thermomicroscopes AFM 시스템에서 구현했다.
• 캔틸레버 칩 위치 조절을 통해 진폭 스펙트럼에서 단일 공진 피크를 확보하도록 AFM 조절을 최적화하였으며, 공진 주파수 200 kHz 및 공진 이하 500 Hz에서 작동시켰다.
• 안정된 영상 촬영을 위해 피드백 이득을 0.5 이상, 스캔 속도를 1 Hz당 4 µm 이미지로 설정했다.
• 역대trast 영상 및 높이 측정을 통해 단일 튜브(0.8 nm의 명시적 높이)와 군집(1.5–1.6 nm)을 구분하였으며, 이로 인해 선택적 길이 측정이 가능했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 분산 방법이 마이카 기질에 안정적이고 고립된 SWCNT를 확보하여 신뢰할 수 있는 AFM 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ2 ac-AFM를 어떻게 조절하여 샘플 손상 없이 단일 SWCNT와 소형 군집을 구분할 수 있는가?
• RQ3 튜브가 군집화 경향이 있는 상황에서 레이저 에이블레이션 유래 샘플의 실제 SWCNT 길이 분포는 무엇인가?
• RQ4 환경 습도가 ac-AFM 영상의 안정성 및 SWCNT의 대trast에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 정밀한 AFM 조절 및 영상 처리 기법을 통해 복잡한 AFM 영상에서 개별 튜브 길이를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 500개의 개별 튜브 측정 기반으로 샘플의 SWCNT 길이 분포는 300 nm에서 피크를 이뤘으며, 평균 길이는 480 nm였다.
• 캔틸레버 칩 재배치를 통한 단일 공진 피크 확보 등 ac-AFM의 적절한 조절이 튜브 이동 없이 안정적인 영상 촬영을 가능케 하였다.
• 명시적 튜브 높이가 0.8 nm로 측정되었으며, 이는 기대되는 1.2–1.4 nm보다 현저히 낮았으며, 공기 중 수분 흡착으로 인한 수분 흡착에 기인한 것으로 보인다.
• 대trast 및 높이 분석을 통해 단일 튜브와 소형 군집을 성공적으로 구분하였으며, 군집는 역대trast 영상에서 더 어두우며 넓게 보였다.
• DMF 희석 및 장시간 초음파 처리를 통한 분산 프로토콜이 3개월 이상 침전 없이 안정된 혼합물을 생성하였다.
• 20–40% 상대습도 범위에서는 영상 안정성이 유지되었으며, 20% 이하에서는 피드백 진동 및 대trast 반전 현상이 발생하였다.