碳納米管的可控長度拾取及導電性分析*

王亞洲 馬立? 楊權 耿松超 林旖旎 陳濤 孫立寧

1) (上海大學機電工程與自動化學院, 上海200072)

2) (蘇州大學機器人與微系統中心, 蘇州215021)

(2019 年 8 月 26日收到; 2019 年 12 月 3日收到修改稿)

拾取指定長度的半導體性碳納米管對大規模制造碳納米管場效應管具有重要意義. 本文提出了一種利用原子力顯微鏡探針和鎢針對碳納米管進行可控長度拾取的方法并進行了碳納米管導電性分析. 在掃描電子顯微鏡下搭建微納操作系統, 針對切割操作過程中原子力顯微鏡探針、鎢針和碳納米管的接觸情況進行了力學建模和拾取長度誤差分析. 建立了單根金屬性碳納米管、單根半導體性碳納米管及碳納米管束與鎢針接觸的電路模型, 推導了接入不同性質碳納米管后電路的電流電壓特性方程. 使用原子力顯微鏡探針對碳納米管的空間位姿進行調整, 控制鎢針對碳納米管上目標位置進行通電切割, 同時獲取切割電路中的電流電壓數據. 實驗結果表明, 本文提出的方法能夠有效控制所拾取碳納米管的長度, 增加碳納米管與原子力顯微鏡探針的水平接觸長度能夠減小碳納米管形變導致的拾取長度誤差, 建立的電流電壓特性方程能夠用于分析碳納米管的導電性.

1 引言

碳納米管 (carbon nanotubes, CNTs)具有優異的電荷輸運特性和一維靜電學特性, 是半導體電子學研究的熱點[1?3]. 半導體性 CNT (semiconducting CNT, s-CNT)載流能力高[4]、載流子移動速度快[5,6], 是作為場效應晶體管溝道的理想材料[7?9].為大規模生產碳納米管場效應管, 需要對從生長基底拾取可控長度CNT的操作方法進行研究. 此外,目前通過控制催化劑的化學氣相沉積法制備的s-CNTs陣列可以達到80%的純度[10], 但仍摻雜著部分的金屬性 CNT (metallic CNT, m-CNT), 且CNT具有互相捆綁成束的特性[11], 即使作為溝道的CNTs中摻雜了單一的m-CNT雜質也能使場效應晶體管短路, 導致其通斷電流比降低幾個數量級[12], 因此需要對所拾取的CNT進行導電性分析.

國內外研究人員搭建了不同的納米系統對CNT的操作方法以及物理特性進行研究. 日本名古屋大學Fukuda等[13]在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)下使用原子力顯微鏡 (atomic force microscope, AFM)懸臂梁探針的針尖實現了對散落的CNT的拾取、移動以及楊氏模量的測量, 但該方法不適于對未斷裂的CNT進行操作. 北京大學Wei等[14]利用吸附于金屬尖端的短CNT作為末端執行器, 通過焦耳熱原理實現了對其他CNT的切割以及末端的削尖, 但該方法易受CNT的固有結構缺陷影響. 德國奧爾登堡大學Eichhorn等[15]設計了微納夾持器, 可以將空間中分布稀疏的CNT從基底上拉斷并拾取, 但其尺寸較大, 難以在生長密集的CNT陣列中操作;此外, 他們還提出了一種基于SEM圖像模糊程度確定樣品高度的方法[16]. 文獻[17?19]在SEM里搭建了多自由度納米操作系統, 并使用AFM探針對基底上的CNT進行了拾取, 采用將CNT直接拉伸至斷裂的方法, 斷裂位置的隨機導致了所拾取CNT長度的不可控. 使用電子束誘導沉積法將CNT固定在AFM探針表面能顯著加強兩者的連接強度并降低接觸電阻[20,21], 但沉積點會影響CNT的移動、裝配等后續操作[22]. 清華大學Jiang課題組[23,24]利用SEM下亮度差異對CNT的導電性進行了判斷, 但該方法只能用于同一圖像中不同CNT的相對比較. 上述方法無法實現CNT的可控長度拾取以及CNT的導電性測量.

本文即針對上述問題, 提出一種能夠拾取指定長度CNT并確定其導電性的方法. 在SEM真空環境下使用AFM探針對CNT的空間位姿進行調整, 并控制鎢針在CNT上目標位置處進行通電切割, 同時對電路中電流電壓(I-V)數據進行測量.針對拾取過程中AFM探針、鎢針和CNT的接觸模型進行力學建模, 分析拾取長度誤差大小和來源, 建立m-CNT, s-CNT和CNT管束與鎢針接觸的電路模型, 推導電路中接入不同性質CNT后的I-V特性方程. 最后進行實驗研究, 驗證CNT可控長度拾取及其導電性分析方法的有效性.

2 微納操作系統

對CNT施加電壓會破壞碳原子之間存在的碳-碳鍵, 造成 CNT結構發生缺陷[25], 若此時CNT受到拉力則會在缺陷處發生應力集中, 從而導致缺陷擴大直至CNT斷裂[26], 利用該原理可以實現對CNT的切割. 搭建了基于SEM (SU3500,Hitachi)的微納操作系統, 系統包含一個微納操作臺、兩根鎢針(ST-20-0.5, GGB)、一個AFM懸臂梁探針 (PNP-TR-Au, Nanoworld), 如圖1所示.使用AFM探針將CNT拉伸至成水平直線形態以便對切割點進行定位, 同時對CNT施加預應力,然后控制兩鎢針在切割點兩側接觸CNT, 將該段CNT接入電路以完成CNT切割并進行導電性分析.

圖1 微納操作系統(a) 微納操作臺; (b) AFM 探針; (c) 鎢針; (d) CNTs 樣品Fig. 1. Micro-nano manipulation system: (a) Micro-nano manipulation stage; (b) AFM probe; (c) tungsten probe; (d) CNTs sample.

微納操作臺具有四個納米操作單元, 每個操作單元具有x,y,z三個平移自由度, 采用粘滑驅動實現三自由度的粗定位, 采用柔性鉸鏈驅動實現三自由度的精定位, 各操作單元的具體性能參數如表1所列. 微納操作系統安裝于SEM真空腔內的樣品臺上, 信號線纜通過真空法蘭與外部的電控箱連接以獲取控制信號并反饋電信號, 操作者通過實時觀察SEM圖像獲取操作系統狀態信息并進行控制.

本文采用的CNT樣品由化學氣相沉積法制成, 長度約為 50 μm. 使用導電膠邊緣從生長基底上粘附CNT, 可以使CNT保持懸空狀態并與外界電路連通. AFM探針作為末端執行器負責將懸空的CNT拉伸成水平直線形態, 該操作的主要作用力為探針表面區域與CNT接觸時的范德瓦耳斯力. 使AFM探針的針尖方向與CNT生長方向相對, 能夠降低拾取操作的復雜性, 因此將粘有CNT樣品的導電膠和AFM探針分別放置于空間上相對的單元1和單元3上. 鎢針的針尖直徑為200 nm, 能夠對目標點進行精確定位, 且具有良好的導電性, 故使用鎢針作為切割和電測量操作的末端執行器. 鎢針安裝在單元2和單元4上, 并被彎折至120°來保證針尖從兩側接近時與CNT的夾角滿足操作要求.

表1 微納操作單元性能參數Table 1. Performance parameters of micro-nano operating unit.

3 力學建模與誤差分析

使用電子束誘導沉積法將CNT固定在AFM探針表面后, 由于沉積點的存在, 被固定的CNT將無法被完整取下. 為避免影響拾取后對CNT進行的移動、裝配等工作, 在操作過程中不采用電子束誘導沉積法等方式對CNT與AFM探針以及鎢針的連接處進行加固, 則接觸時的主要作用力為范德瓦耳斯力以及靜電力. 靜電力主要由樣品表面受SEM電子束輻照所累計的電荷引起, 接地可以將電荷導出以避免靜電力對拾取過程的影響[27],在對CNT通電切割操作前將導電膠、鎢針與AFM探針接地, 則操作過程僅考慮范德瓦耳斯力作用.

切割過程中鎢針與CNT的接觸情況以及CNT受力分析如圖2所示. 圖中表示預期拾取長度, 虛線表示理想狀態下被拉伸成水平直線形態的CNT, 實線表示實際操作過程中由于受到鎢針與CNT之間范德瓦耳斯力作用發生彎曲變形的CNT, 定義CNT粘附在導電膠上的部分為根部,AFM探針接觸的部分為末端,表示CNT根部的變化角度,表示CNT末端的變化角度.

圖2 接觸力學分析示意圖Fig. 2. Schematic diagram of mechanics during contact.

與兩鎢針接觸的CNT所受作用力分別為:CNT根部所受拉力FD、AFM探針與CNT之間的范德瓦耳斯力FA以及鎢針與CNT之間的范德瓦耳斯力FT, 則有

選擇兩鎢針位于CNT根部和AFM探針中心的位置, 此時,FA=FD, 則有

兩鎢針與CNT接觸點的間距以及CNT的受力變形會產生拾取長度誤差. 由于兩鎢針與CNT的接觸點存在間距, 而碳-碳鍵的斷裂可能發生在兩鎢針與CNT接觸點間的任意位置, 因此將產生長度誤差, 其值在0—L0之間. 由于該誤差僅由碳-碳鍵的斷裂位置決定, 因此只能通過減小的大小以控制其范圍. 此外, SEM 圖像無法觀測深度信息, 當操作者選擇作為預期拾取長度時, 實際拾取長度為CNT彎曲變形后對應的長度對于部分, CNT的形變導致的長度誤差可表示為

聯立(2)—(4)式可得

多壁CNT是由多層六邊形碳原子構成的同軸圓管, 各層之間距離為埃米級, 將其端面等效為圓形, 則CNT與AFM探針的接觸可以看作圓柱體-平面類型的接觸. 為使CNT與探針表面接觸強度最大, 采用水平模式接觸[17], 接觸模型如圖3所示.

CNT與AFM探針水平模式下接觸時的引力勢能為

式中d為CNT直徑;H為CNT與AFM探針之間的接觸距離;A為CNT與AFM探針接觸表面在真空環境下的 Hamaker常數, 其中則

CNT與AFM探針水平接觸模式下的范德瓦耳斯力FA為

聯立(5)和(7)式可得

目標 CNT確定后, 直徑d、范德瓦耳斯力FT以及距離H為定值, 由(7)式可得, 增加CNT與AFM探針的水平接觸長度能夠增大兩者之間的范德瓦耳斯力FA, 由(8)式可得即在不改變拾取長度的情況下, 增加可以減小拾取長度誤差.

4 電學分析

使用鎢針對CNT進行切割操作和導電性測量, 電路如圖4所示, 兩鎢針分別接觸CNT上目標切割點的兩側, 并通過電控箱與外部電源連接對CNT施加電壓. 在使用氣相沉積法制造的CNTs陣列中, 存在金屬性和半導體性兩種性質的CNT, 而其納米級直徑導致在SEM下很難分辨所選擇的操作對象是單根CNT還是由多根纏繞貼合形成的CNT管束, 因此與鎢針接觸的CNT可能為單根s-CNT、單根m-CNT以及CNT管束三種.下面針對理想狀態下接入電路的三種CNT情況分別進行了I-V特性方程推導.

圖4 CNT 切割及導電性測量電路Fig. 4. Circuit for CNT cutting and conductivity measurement.

當鎢針與s-CNT接觸時, 在CNT表層將形成一個電場阻止電子向鎢針擴散, 該勢能區即肖特基勢壘, 其I-V特性方程表現出非線性, 可表示為其中,IST表示流經肖特基勢壘的電流,IS表示反向飽和電流,e表示電子電荷量,VD表示偏置電壓,n表示工藝因子,K為玻爾茲曼常數,T表示溫度. 偏置電壓VD為負時, 肖特基勢壘可被等效為固定電阻Rr, 偏置電壓VD為正時, 令則正向等效電阻Rf為

可知在偏置電壓VD為正時, 等效電阻Rf隨電流的增大而減小, 因此不能采用簡單的歐姆定律對電路進行分析. 對于具有肖特基勢壘的電路, 電路中各點電勢高低符合基爾霍夫電壓定律, 電路中電流大小符合基爾霍夫電流定律, 則單根s-CNT電路中伏安特性方程為

其中RS表示接入電路的s-CNT的固有電阻,V表示電源施加的總電壓, 將兩根鎢針短接時測得電路中電阻為, 而CNT的電阻通常在兆歐級, 故忽略電路電阻.

鎢針與m-CNT接觸時, 接觸區域會形成接觸電阻, 其阻值由接觸材料的性質以及接觸區域的形狀決定[28], 可表示為其中為m-CNT和鎢針接觸時的特殊電阻率, 該量主要由接觸區域的局部化學性質以及費米能級決定,表示接觸區域. 對于已經接觸的鎢針和CNT, 操作過程中位置固定, 接觸區域不再變化, 因此接觸電阻是一個固定值, 這意味著m-CNT電路的總電阻為定值, 大小為其中表示 m-CNT的固有電阻, 接入m-CNT的電路I-V特性方程為

當鎢針與CNT管束接觸時, 將管束中每根CNT看作一個分支電路, 各電路處于并聯狀態, 施加在各分支電路上的電壓均等于電源電壓, 電路的總電流為各分支電路電流之和. 假設電路中接入了m根s-CNT以及n根m-CNT, 則電路中總電流為

對CNT管束施加電壓時, 管束中每根CNT上碳-碳鍵被破壞的時間和位置都會存在差異, 因此CNT管束的斷裂將是分階段的, (12)式中m和n的值會在操作的不同階段發生變化, 無法給出一個固定參數的式子來表征整個操作過程. 但在每個操作階段內, 電路中接入的CNT數目都不發生變化, 這意味著即使在拾取實驗的不同階段m,n的值都可能會發生變化, 但是在每個階段內m,n都是恒定的. 因此, 在實驗的每一個階段所測的CNT的I-V特性都可以采用(12)式來表示.

值得注意的是, 在實際環境中金屬與半導體接觸時, 形成的肖特基勢壘的高度不僅取決于兩者的功函數之差, 還會受到接觸界面狀態如雜質、氧化層等因素的影響. 氧化層等界面絕緣層的存在會降低金屬與半導體之間的肖特基勢壘高度[29,30], 這可能導致使用鎢針測量s-CNT的伏安特性時出現近線性對稱的I-V曲線, 導致將CNT性質錯判為金屬性. 因此在實驗前要除去氧化層和灰塵雜質等影響較大的因素.

5 實驗測試及結果分析

采用圖1所示的微納操作系統, 將AFM探針豎直安裝來驗證CNT與AFM探針接觸長度對CNT末端變化角度和拾取長度誤差的影響. 將AFM探針水平安裝并采用雙鎢針操作對CNT的可控長度拾取方法及導電性分析進行驗證.

5.1 CNT與AFM探針接觸長度與拾取長度誤差檢測

為了驗證CNT與AFM探針的接觸長度和拾取長度誤差的關系, 需要對CNT的形變量進行檢測. 由于SEM圖形沒有深度信息, 無法觀察到CNT在z方向的形變, 因此將AFM探針沿豎直方向安裝, 控制鎢針沿y方向接近CNT, 對接觸長度以及與鎢針接觸前后CNT的形變進行測量.

使用AFM探針上表面將CNT沿x方向拉伸成直線形態后, 繼續運動至CNT與AFM探針表面發生相對滑動, 此時施加在CNT末端的拉力與兩者間范德瓦耳斯力FA相等. 控制鎢針沿y向運動至CNT發生形變并與鎢針接觸. 固定預期拾取長度并改變CNT與AFM探針接觸長度, 通過測量CNT的末端變化角度、預期長度及實際長度對誤差進行分析. 此外, 由于拾取操作過程中兩鎢針間距較小, 且對CNT的作用力方向相同, 在力學分析中可將兩鎢針的作用力合并計算,這與采用單鎢針操作時力學表現相同, 故在此實驗中采用單鎢針進行操作. 實驗結果如圖5所示.

在圖5所示實驗中, 分別對三組 CNT與AFM探針的接觸長度L3和CNT形變數據進行了測量, 預期拾取長度L1均為 15 μm. 圖5(a)—(c)分別表示在接觸長度L3為 4.10, 6.41, 8.24 μm時CNT與鎢針接觸前的狀態, 圖5(d)—(f)分別對應CNT與鎢針接觸后的變形情況. 采用SEM軟件測得, 圖5(a)和圖5(d)中CNT與鎢針接觸前后的變化角度為 2.5°, CNT懸空部分長度L2為10.9 μm, CNT形變引起的拾取長度誤差為 0.0104 μm; 圖5(b)和圖5(e)中, 接觸前后變化角度為 1.1°,L2為 8.59 μm, 拾取長度誤差為0.0016 μm; 圖5(c)和圖5(f)中, 接觸前后變化角度為0.8°,L2為6.76 μm, 拾 取 長 度 誤 差 為0.0007 μm. 由實驗數據可知在預期拾取長度L1不變時, 增加CNT與AFM探針的接觸長度L3可以減少拾取長度誤差, 這驗證了(8)式的正確性.

圖5 L1為 15 μm 時不同 L3 長度 CNT 的彎曲變形(a), (d) L3 = 4.10 μm; (b), (e) L3 = 6.41 μm; (c), (f) L3 = 8.24 μmFig. 5. Bending deformation of CNT with same L1 (15 μm) and different L3: (a), (d) L3 = 4.10 μm; (b), (e) L3 = 6.41 μm; (c), (f) L3 =8.24 μm.

5.2 CNT拾取實驗

實驗前, 為了避免鎢針表面的氧化層等對實驗結果造成影響, 采用氫氟酸除去鎢針表面的氧化鎢, 并使用異丙醇和超聲波清洗儀對鎢針進行清洗以除去灰塵等雜質.

實驗過程中, 首先控制AFM探針將目標CNT拉伸成水平直線狀態, 確定拾取長度后使用鎢針在目標CNT指定位置處進行通電切割并獲取I-V數據. CNT樣品及各探針的位置分布如圖6所示.

AFM探針拉伸CNT的操作流程如圖7所示,首先使AFM探針運動至CNT下方, 控制兩者相交部分長度, 并使AFM探針沿z方向垂直向上運動, 當兩者距離足夠小時, CNT末端受到與AFM探針之間范德瓦耳斯力的影響, 將被吸附至探針表面. 在拉伸過程中采用圖7(c)中的箭頭所示的路徑, 先沿z向再沿x方向以小步距多次數重復移動AFM探針, 可以將CNT吸附在AFM探針表面部分與懸空部分均拉伸至直線狀態, 使兩部分的長度均可通過測量得出.

圖6 CNTs及探針位置分布Fig. 6. Position of CNTs and probes.

圖7 AFM 探針拉伸 CNT 操作示意圖Fig. 7. Stretching of CNT with AFM probe.

選擇圖8(a)所示的CNT作為操作對象, 控制AFM探針運動至CNT末端下方. 使AFM探針以1 μm的步距沿z方向向上運動, 并在觀察到圖8(a)和圖8(b)所示CNT末端的形態變化時停止, 此時CNT已經與探針發生接觸. 對兩者的接觸姿態進行判斷, 將AFM探針沿y方向移動3 μm,觀察到圖8(b)和圖8(c)中只有CNT末端跟隨AFM探針移動, 表明兩者接觸狀態如圖7(b)所示, 按照圖7(c)中的軌跡移動AFM探針至CNT被吸附的部分呈直線狀. 將視野移動至CNT根部,調整SEM焦距使清晰度達到最高, 而后保持觀測焦距恒定, 微調AFM探針高度, 當探針上表面移動至焦平面時清晰度最高, 此時AFM探針與CNT根部處于同一水平高度, 拉伸CNT懸空部分至直線狀, 如圖8(d)所示, CNT 位姿調整完成. 在CNT拉伸至水平直線狀態后, 可以使用SEM軟件直接測量CNT與AFM探針接觸部分的長度, 并通過調整CNT懸空部分的長度控制最終拾取長度.

圖8 接觸檢測與位姿判斷Fig. 8. Contact detection and position judgment.

CNT通電切割實驗如圖9所示, 確定切割點位置后, 將兩鎢針針尖分別移動至切割點兩側, 并依次與CNT接觸, 如圖9(a)所示. 控制兩根鎢針使用直徑最小的針尖處在不互相接觸的情況下, 盡可能接近CNT上切割點以減少拾取長度誤差, 本次實驗調整兩鎢針觸點間距為1 μm. 鎢針與CNT接觸后, 在鎢針上施加一個穩定增加的直流電壓并記錄電路中的電流變化. SEM的電子束會對電路中的電流造成影響[31], 因此在測試過程中,關閉了SEM的成像功能, 對CNT的狀態通過電流值來判斷, 當電路中的電流大小變為0時表明CNT已經被切斷, 如圖9(b)所示. 本次實驗選取長度為14 μm, 所拾取CNT懸空部分長度為14.6 μm, 拾取長度誤差為 0.6 μm.

圖9 CNT 切割過程(a)鎢針與 CNT 接觸; (b) CNT斷裂Fig. 9. Cutting process: (a) Contact of probes and CNT;(b) CNT’s breakdown.

5.3 實驗結果分析

通過對CNT拾取操作過程分析, 實驗主要包括兩種誤差. 一是位姿引起的長度誤差, CNT在空間中的位姿并非水平, 而是存在一定傾角. 該傾角來源于操作者使用焦平面距離判斷法調整AFM探針高度時對清晰度的主觀判斷偏差, 這導致CNT的末端及根部未被調整至同一水平面上. 二是兩鎢針與CNT接觸點之間的距離導致的長度誤差, 為保證兩鎢針之間不發生觸碰導致電路短路,兩鎢針之間保持一定的距離, 而斷裂會發生在該段的任意位置, 從而導致拾取長度誤差. 在重復試驗中將切割點定位在兩鎢針與CNT接觸點的中部, 所測拾取長度誤差均小于, 表明該方法可將拾取長度誤差減小50%, 但這對操作者的操作水平要求較高, 且耗時較長. 此外, 減小鎢針的直徑可以在兩鎢針不接觸的情況下縮小兩者間的距離, 這也能夠對起到控制效果.

圖10給出了操作目標為單根CNT時的IV曲線. 采用(10)式對圖10中I-V數據進行擬合,擬合優度R2為0.99978, 殘差平方和為0.03726.采用(11)式對圖10實驗數據進行擬合, 擬合優度R2為0.98974, 殘差平方和為6.73692. 從擬合效果可以看出(10)式優于(11)式, 說明目標CNT的性質是(10)式所代表的半導體性, 擬合結果為這表示大小為0.6605, 肖特基勢壘的反向飽和電流IS為14.87823 μA, 電路中 CNT 固有電阻RS及肖特基勢壘的反向等效電阻Rr之和為0.03509 MW.

圖10 CNT 的 I-V 數據及擬合曲線Fig. 10. I-V data of CNT and fitting curve.

圖11 給出了拾取目標為CNT管束時的IV曲線, 可以看出測量的I-V曲線明顯分為了5段, 電路中的電流呈階段性減小, 表明目標CNT出現了五次斷裂現象, 假設不存在性質完全相同的CNT, 這意味著操作目標是由五根CNT組成的CNT管束, 且各CNT之間存在并聯關系.

圖11 CNT 管束的 I-V 數據及擬合曲線Fig. 11. I-V data of CNT bundle and fitting curves.

將圖11中I-V曲線標記為 a, b, c, d, e 五段,并按照斷裂先后順序對CNT從1—5編號, 則a段曲線代表CNT管束未發生斷裂時的I-V特性,b段曲線代表1號CNT斷裂后管束的I-V特性,c段曲線代表1號和2號CNT斷裂后的管束I-V特性, d段曲線代表4號和5號CNT總的I-V特性, e段曲線代表5號CNT的I-V特性.

從圖11可以看出a段曲線具有明顯的非線性特征, 表明CNT管束中存在s-CNT, 并在與鎢針的接觸區域形成了肖特基勢壘. e段曲線則顯示了明顯的線性特征. 對5號CNT的I-V曲線進行擬合, (10)式的擬合優度R2為 0.963, (11)式的擬合優度R2為0.99993, 則5號CNT的性質為金屬性,其擬合結果為表明電路中電阻為0.185805 MW.

由(12)式從圖11的I-V數據中去除5號CNT對電路中總電流的貢獻, 可以求出4號CNT的IV特性數據, 對其進行擬合, (10)式的擬合優度R2為0.978, 優于(11)式的擬合優度0.856, 這表明4號CNT是半導體性, 其特性式為

上述實驗結果驗證了本文所推導的操作目標為單根s-CNT、單根m-CNT以及CNT管束三種情況下電路I-V特性方程的正確性, 表明推導結果能夠用于CNT的導電性分析.

6 結論

本文采用AFM探針和雙鎢針對CNT進行可控長度拾取以及導電性分析. 建立了拾取過程中CNT與AFM探針及鎢針接觸的力學模型, 并依據模型進行了拾取長度誤差分析. 理論分析表明,所拾取CNT的長度誤差與CNT的空間位姿變化以及兩鎢針與CNT觸點間距大小有關, 增加AFM探針與CNT的接觸長度可以增加兩者間范德瓦耳斯力, 減小由CNT形變導致的拾取長度誤差. 分別建立了鎢針與單根s-CNT、單根m-CNT和CNT管束接觸時的切割電路模型并推導了I-V特性式,推導結果表明, 目標為單根s-CNT時電路I-V特性方程為非線性, 目標為單根m-CNT時電路IV特性方程為線性, 目標為CNT管束時電路的IV特性方程將呈階段性變化. 實驗證明, 增加CNT與AFM探針的水平接觸長度可以有效控制由CNT形變造成的拾取長度誤差. 切割過程所測得切割電路I-V數據與所推導的三種接觸情況下電路I-V特性方程相符, 通過曲線擬合能夠判斷CNT是金屬性還是半導體性. 采用本文所提出的方法可以有效控制拾取的CNT長度并分析其導電性.