[论文解读] Length distribution of single walled carbon nanotubes determined by ac atomic force microscopy

Richard D. Piner, Rodney S. Ruoff|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2002

Carbon Nanotubes in Composites被引用 3

一句话总结

本研究提出一种利用经过优化调谐的交流原子力显微镜（ac-AFM）测量分散在二甲基甲酰胺（DMF）中的单根单壁碳纳米管（SWCNTs）的方法，实现了对长度分布的精确分析。关键结果为长度分布峰值位于300 nm，平均长度为480 nm，通过重复稀释、超声处理以及精确控制AFM参数，成功区分了单根管子与小簇团。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的方法，以测量单根SWCNT的长度，尽管其易发生团聚且易被移动。
• 克服由于在云母等基底上粘附力低和表面光滑导致SWCNT在AFM成像中的挑战。
• 建立一种可重复的分散协议，使SWCNT在原子级平整的基底上实现分离且稳定。
• 优化ac-AFM调谐参数，基于高度和对比度区分单根管子与小簇团。
• 确定激光烧蚀法制备的SWCNT样品中SWCNT的统计长度分布。

提出的方法

• 通过在DMF中进行重复稀释（1:1,000,000）和16小时超声处理，将来自甲苯悬浮液的SWCNT分散。
• 通过将DMF/管子悬浮液夹在两片解理云母片之间制备样品，以控制干燥过程和均匀性。
• 采用非接触式间歇接触ac-AFM，使用未安装的非接触超细探针，在两台Thermomicroscopes AFM系统上进行测量。
• 通过调节悬臂芯片位置优化AFM调谐，以在振幅谱中获得单一共振峰，使用200 kHz共振频率并低于共振500 Hz。
• 采用反馈增益为0.5或更高，扫描速度为每4 µm图像1 Hz，以实现稳定成像。
• 使用反向对比成像和高度测量，区分单根管子（表观高度0.8 nm）与簇团（1.5–1.6 nm），从而实现选择性长度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种分散方法可在云母上实现SWCNT的稳定、分离状态，以实现可靠的AFM成像？
• RQ2 如何调谐ac-AFM以在不损伤样品的前提下区分单根SWCNT与小簇团？
• RQ3 考虑到SWCNT易团聚的特性，激光烧蚀法制备的SWCNT样品的实际长度分布是什么？
• RQ4 环境湿度如何影响ac-AFM成像的稳定性与SWCNT的对比度？
• RQ5 精确的AFM调谐与图像处理能否可靠地从复杂AFM图像中提取单根管子的长度？

主要发现

• 根据对500根单根管子的测量，样品中SWCNT的长度分布峰值为300 nm，平均长度为480 nm。
• 通过正确调谐ac-AFM，包括通过芯片重新定位实现单一共振峰，实现了无管子位移的稳定成像。
• 表观管子高度测量为0.8 nm，显著低于预期的1.2–1.4 nm，可能由于在空气中水分子在亲水性云母表面吸附所致。
• 该方法成功通过对比度和高度分析区分了单根管子与小簇团，簇团在反向对比图像中呈现更暗、更宽的形态。
• 采用DMF稀释和长时间超声处理的分散协议，产生了可稳定保存超过3个月、不沉淀的悬浮液。
• 在20–40%相对湿度范围内成像稳定性良好；当湿度低于20%时，出现反馈振荡和对比度反转。