In Situ Transmission Electron Microscopy Studies of Carbon Nanotube Nucleation Mechanism and Carbon Nanotube-Clamped Metal Atomic Chains

استفاده از یک روش میکروسکوپ الکترونی عبوری درجا (TEM) برای بررسی مکانیسم رشد نانولوله‌های کربنی (CNTs) و همچنین ساخت و خواص زنجیره‌های اتمی فلزی (MACs) که با CNT گیره‌دار شده‌اند، تمرکز این تحقیق است که در این پایان نامه استفاده از یک رویکرد TEM در محل در تحقیقات فوق الذکر نه تنها مشاهدات بلادرنگ بلکه ماشینکاری و تکامل ساختاری نظارت شده در سطح اتمی را نیز فراهم می کند. در این پایان نامه، نویسنده یک نانو کوره لوله ای CNT را معرفی می کند که می تواند تحت TEM برای بررسی مکانیسم هسته سازی CNT کار کند. با مطالعه فرآیند هسته‌زایی نانولوله‌های کربنی در حضور کاتالیزورهای مختلف از جمله کاتالیزورهای فلزی مبتنی بر آهن و کاتالیزورهای غیرفلزی مبتنی بر اکسید سیلیکون، حالت‌های فیزیکی کاتالیزورها و همچنین فرآیند هسته‌زایی و رشد نانولوله‌های کربنی آشکار می‌شود. بر اساس درک مکانیسم هسته‌زایی، نویسنده یک استراتژی رشد هترو-اپیتاکسیال نانولوله‌های کربنی از نیترید بور را پیشنهاد می‌کند که مسیر جدیدی را برای رشد قابل کنترل نانولوله‌های کربنی فراهم می‌کند. علاوه بر این، نویسنده یک تکنیک نانوماشینکاری به کمک پرتو الکترونی و ساخت یک دستگاه نمونه اولیه MAC با گیره CNT بر اساس این تکنیک ارائه می‌کند. فرآیند تشکیل زنجیره‌های اتمی آهن (ACs) متصل به CNT را می‌توان با وضوح اتمی کنترل کرد. رسانایی کوانتیزه نشان‌داده‌شده و خواص نیمه‌فلزی بی‌تأثیر Fe AC نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی می‌توانند الکترودها یا اتصال دهنده‌های نانومقیاس امیدوارکننده‌ای برای اتصال و مونتاژ ساختارهای نانو و زیر نانویی باشند.

Using an in situ transmission electron microscopy (TEM) approach to investigate the growth mechanism of carbon nanotubes (CNTs) as well as the fabrication and properties of CNT-clamped metal atomic chains (MACs) is the focus of the research summarized in this thesis. The application of an in situ TEM approach in the above-mentioned research provides not only real-time observation but also monitored machining and structural evolvement at the atomic level. In this thesis, the author introduces a CNT tubular nano furnace that can be operated under TEM for investigation of the CNT nucleation mechanism. By studying the nucleation process of CNTs in the presence of various catalysts, including iron-based metallic catalysts and silicon oxide-based non-metallic catalysts, the physical states of the catalysts as well as the nucleation and growth process of CNTs are revealed. Based on the understanding of the nucleation mechanism, the author proposes a hetero-epitaxial growth strategy of CNTs from boron nitride, which provides a new route for the controllable growth of CNTs. In addition, the author presents an electron beam-assisted nanomachining technique and the fabrication of a CNT-clamped MAC prototype device based on this technique. The formation process of CNT-clamped Fe atomic chains (ACs) can be monitored with atomic resolution. The demonstrated quantized conductance and uninfluenced half-metallic properties of Fe ACs indicate that CNTs can be promising nanoscale electrodes or interconnectors for the linking and assembly of nano and subnano structures.