Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Probing C Published: September 28, 2016 doi: 10.3791/54235
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 3
1Department of Physics and Institute of Nanoscience, National Chung Hsing University, 2Metallurgy Section, Materials & Electro-Optics Research Division, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, 3National Center for High-Performance Computing

Abstract

Detta dokument redovisar en array utformad C 84 -embedded Si-substrat tillverkas med användning av en kontrollerad självorganisering metod i en ultrahög vakuumkammare. Egenskaperna hos C 84 -embedded Si yta, såsom atomär upplösning topografi, lokal elektronisk tillståndstäthet, bandgap energi, fältemissionsegenskaper, nanomechanical stelhet och yta magnetism, undersöktes med hjälp av olika ytan analystekniker i ultra, högvakuum (UHV) villkor samt i en stämningssystemet. Experimentella resultat visar den höga likformigheten i C 84 -embedded Si yta tillverkas med användning av en kontrollerad självorganisering nanoteknik mekanism utgör en viktig utveckling i tillämpningen av fältemission display (FED), optoelektronisk enhet tillverkning, MEMS skärverktyg, och i arbetet att hitta en lämplig ersättare för hårdmetall halvledare. Molekyldynamik metod med semi-empirisk potential (MD) kan be användas för att studera nanoindentation C 84 -embedded Si-substrat. En detaljerad beskrivning för att utföra MD simulering presenteras här. Mer information om en omfattande studie på mekanisk analys av MD simulering såsom indrag kraft Youngs modul, yta stelhet, atom stress och atom stam ingår. Atom stress och von-Mises stam fördelningar av indraget modell kan beräknas att övervaka deformation mekanism med tiden utvärdering atomistiskt nivå.

Introduction

Fullerenmolekyler och kompositmaterial innefattar de är utmärkande bland nanomaterial på grund av deras utmärkta strukturella egenskaper, elektronisk ledningsförmåga, mekanisk hållfasthet, och kemiska egenskaper 1-4. Dessa material har visat sig vara mycket fördelaktigt i en rad olika områden, såsom elektronik, datorer, bränslecellsteknik, solceller, och fältemissionsteknik 5,6.

Bland dessa material har kiselkarbid (SiC) nanopartiklar kompositer fått särskild uppmärksamhet tack vare deras breda bandgap, hög värmeledningsförmåga och stabilitet, hög elektrisk fördelning förmåga och kemisk tröghet. Dessa fördelar är särskilt tydligt i optoelektroniska enheter, metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFET), lysdioder (LED), och hög effekt, hög frekvens, och höga temperaturer. Emellertid höga defekter densitet observeras vanligen på ytan av ConventiOnal kiselkarbid kan ha skadliga effekter på den elektroniska strukturen, även leder till enheten fel 7,8. Trots det faktum att tillämpningen av SiC har studerats sedan 1960, förblir detta speciella olöst problem.

Syftet med denna studie var tillverkningen av en C 84 -embedded Si-substrat hetero och efterföljande analys för att få en övergripande förståelse av de elektroniska, optoelektroniska, mekaniska, magnetiska och fältemissionsegenskaper hos de erhållna materialen. Vi tog även upp frågan om att använda numerisk simulering för att förutsäga egenskaper hos nanomaterial, genom den nya tillämpningen av molekyldynamikberäkningar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: Det papper som beskriver de metoder som används i bildandet av en själv monterade fulleren array på ytan av ett halvledande substrat. Specifikt presenterar vi en ny metod för framställning av en fullereninbäddad kiselsubstratet för användning som ett fält emitter eller substrat i mikroelektromekaniska system (MEMS), och optoelektronisk utrustning i hög temperatur, hög effekt, applikationer samt i hög -Frekvensomriktare utan integrerat anordningar 9-13.

1. Tillverkning av Hexagonal slutna förpackade (HCP) överlagret av C 84 på Si-substratet

  1. Förbered Clean Si (111) substrat
    1. Ämne Si-substratet till RCA (Radio Corporation of America) rengöring, innebär tillämpning av ett lösningsmedel följt av upphettning i en ultrahög vakuumsystem för avlägsnande av oxidskiktet och orenheter från ytan av substratet (se stödmaterial).
      OBS: Häri avser termen "UHV-ultrahög vakuumsystem" hänför sigför ett vakuum under en x 10 -8 Pa användes vid framställningen av en Si (111).
  2. Insättning C 84 på kiselytan Använda Termisk förångning i en UHV system
    1. Förvärmer en K-cell förångare med extern strömförsörjning genom värmetrådar till 500 ° C för att främja utgasning av föroreningar.
    2. Fyll C 84 nanopartiklar i en K-cellbehållaren. Resistivt värma K-cellen till 650 ° C. Förånga C 84 nanopartiklar som C 84 nanopartiklar i behållaren komponera ångor. Avdunsta C 84 nanopartiklar i raka rader tills nanopartiklar hitta en Si-substrat genom en styrd ventil vid tryck under 5 x 10 -8 Pa.
  3. Bädda C 84 Molekyler inom Si ytan via mekanismen Själv montering
    1. Pre-glödga Si (111) substrat i en ultrahög vakuumsystem vid 900 ° C för att erhålla (1x1) strukturer. Sänk temperaturen till 650 ° C under 30 min för de deposition av C 84 nanopartiklar på ytan av substratet.
    2. Glödga Si-substratet på ~ 750 ° C under 12 h, under vilken tid den pulveriserad-C 84 nanopartiklar själv montera in en mycket likformig fulleren array på ytan av (111) substrat Si.
      OBS: Häri avser termen "mycket enhetliga fulleren array" hänför sig till den likformiga fördelningen av fulleren på substratet, där de flesta av de nanopartiklar är orienterade i ett kompakt arrangemang vinkelrät mot ytan av substratet. Denna konfiguration hjälpte till att säkerställa att den vertikala höjden av fulleren array var i huvudsak identisk i alla prover.

2. Mätningar av elektroniska egenskaperna hos C 84 -embedded Si-substrat

  1. Mät Lokal Elektronisk densitet som använder UHV-sveptunnelmikroskopi
    1. Mät IV kurvor av specifika atomer med hjälp av UHV-SPM
    2. Placera C 84
    3. Klicka på "IV" mätning objekt att mäta tunnelströmmen på atomär upplösning. Välj åtminstone 20 särskilda platser på C 84 -embedded Si-substrat för mätningar. Beräkna medelvärdet av tunnelström I över 20 särskilda platser. Härleda I som en funktion av spänning. Plot IV kurvor.
    4. Beräkna derivatan av I (V) med avseende på V. Konvertera de IV kurvorna för di / dV som en funktion av spänningen för att bestämma den lokala elektroniska tillstånd av C 84 -embedded Si-substrat.
  2. Mäta bandgapsenergin
    1. Skaffa IV kurvor enligt anvisningarna i 2.1.2 och 2.1.3 från följande: Si (111) -7x7 yta, Si (111) -1x1 yta, enskild individ C 84 nanopartiklar på Si, 7-19 C 84kluster på Si, 20-50 C 84 kluster på Si, och ett monoskikt av C 84 inbäddad i Si yta.
    2. Beräkna derivatan av I (V) med avseende på V. Konvertera de IV kurvorna för di / dV kurvor för att mäta energiskillnader de HOMO-LUMO (hänvisad till bandgapsenergi) i varje mätning läge, såsom visas i figur 2a.
  3. Skaffa Field Emission (FE) Egenskaper
    1. Placera C 84 -embedded Si-substrat på ett FE provhållare. Sätt in hållaren i FE analyskammaren. Evakuera kammaren till ett tryck av ungefär 5 x 10 -5 Pa under FE mätning.
      OBS: C 84 -embedded kiselsubstrat fungerade som katod och en koppar sond med en tvärsnittsarea på ~ 0,71 mm 2 fungerade som anod. Avståndet mellan katoden och anoden var ca 590 | im.
    2. Öka pålagd spänning manuellt på substrat från 100 V till 1100 V. Mät motsvararing fältemissionsströmmen som funktion av pålagd spänning med användning av en källa mätenhet högspännings med strömförstärkaren.
    3. Beräkna Fowler-Nordheim fältemission korrelation enligt arbetsfunktionen ~ 5 eV som visas i figur 2b.
    4. Skaffa den geometriska fältförstärkningsfaktor (β) enligt följande: F (fält) = β (V / d) med en β värde av ca 4383.
    5. Erhålla den elektriska genombrottsfält under vakuum baserad på sluttningen av den naturliga logaritmen (J / E2) mot (1 / E), som gav oss ett värde av ~ 4,0 x 10 6 V / cm för C 84 -embedded Si-substrat såsom visas i figur 2c.
  4. optoelektroniska egenskaper
    1. Överför testa substrat till ett system för mätning av utsläpp optiskt. Fokusera He-Cd-laser källa med 325 nm utsläpp på substratet som ligger i centrum av provkammaren. Inrätta en spektrometer i en lämplig position. Använd en spectrometer att förvärva fotoluminiscensspektrum genom att samla in och analysera avger fotoner. Den optoelektroniska Resultatet visas i figur 2d.

3. Mätningar av Surface Magnetism

  1. Skaffa MFM (Magnetic Force Microscopy) topografi.
    1. Magnetisera prover av C 84 -embedded Si före MFM mätningar genom att applicera en magnet med en fältstyrka av ca 2 kOe.
    2. Placera magnetiserade provet på en MFM provstadiet. Klicka på "Skaffa MFM topografi" objekt. Observera mikro av fulleren i den magnetiska domän inbäddad i Si-substratet med hjälp av MFM i lyftläge med tillämpning av magnetiseringen vinkelrätt mot ytan av provet.
    3. Använd en nanoskala PPP-MFMR fribärande för MFM mätningar (figur 3a). Bestäm ytan magnetism om MFM topografi visas mörkare (ljusare) när magnetiska moment av tips är i same (motsatt) riktning av substratet ögonblick.
  2. SQUID (supraledande Quantum Interference Device) Mätning
    1. Förbered monolager av C 84 -embedded Si-substrat och C 84 kluster på C 84 inbäddade Si-substrat.
    2. Magnetisera prover av C 84 -embedded Si och C 84 kluster på C 84 inbäddade Si-substrat före SQUID experiment genom att applicera en magnet med en fältstyrka av ca 2 kOe.
    3. Placera provet i en SQUID. Tillämpa en svepande magnetfält i ett intervall av ~ 2 kOe. Erhålla magnetiseringen slingor plottas mot det yttre magnetfältet i SQUID mätningar vid rumstemperatur.
      OBS: Den typiska MH-kurvan för ett ferromagnetiskt material kan erhållas såsom visas i figur 3b.

4. Mätning av nanomechanical Properties av AFM

OBS: Atomic force microscopy (AFM) tillhandahåller enkraftfullt verktyg för karakterisering av material och mekaniska egenskaper vid mikro- och nanoskalor i luft samt i en UHV miljö

  1. Mät Stelhet i C 84 Embedded Si-substrat under atmosfäriska förhållanden
    1. Placera underlaget på en AFM prov scenen. Dra en skarp spets över substrat med användning av en scanner. Övervaka de förskjutningar av spetsen som ett mått på spets-provinteraktionskrafter. Registrera rörelserna på många spets prov sträckor längs vertikal riktning i en viss position genom att klicka på "kraftmätning" objekt.
    2. Skaffa kraftmätningar med hjälp av en AFM under atmosfäriska förhållanden från en RCA-cleaned Si-substratet med 2-3 nm skikt av naturlig oxid samt från en C 84 -embedded Si-substrat och ett Si-substrat belagt med en tunn film av kiselkarbid.
    3. Med hjälp av AFM programvara, rita Force-distanskurvor under atmosfäriska förhållanden.
      OBS: AFM fribärande var en Si sond med en spetsradie av~ 5-20 nm och fjäderkonstanten hos ~ 40 N / m.
  2. Mät Stelhet i C 84 Embedded Si substrat i UHV avdelningen
    1. Skaffa kraftmätningar i enlighet med ledning av 4.1.1 med användning av en AFM i en UHV-system från en RCA-cleaned Si-substrat, en ren Si (111) -7x7 yta, en C 84 -embedded Si-substrat, substrat och ett Si-substrat belagt med en tunn film av kiselkarbid.
    2. Rita Force-avståndskurvor i en UHV-system. Anm. AFM fribärande var en Si sond med en spetsradie på ~ 5-20 nm och fjäderkonstant ~ 40 N / m Figur 4 presenterar kraft avståndet analys av oordnad Si yta, 7 x 7 yta, enda själv- sammansatt lager av C 84 bäddas in i Si-yta, och Si yta, bestämt med användning av UHV-AFM.

5. Mätning av nanomechanical Properties av MD simulering

OBS: I avsnitt simuleringen, OVITO 16 (öppen källkod visualizatipå programvara) och, OSSD 17 (Open ytstruktur databas) används för att skapa simuleringsmodellen och resultaten visualisering. Lammps 14 (en öppen källkod molekyldynamik (MD) simulering paketet) används för att utföra nanoindentation simulering och analysera simuleringsresultaten 15. Alla simulerings jobb utförs med parallella beräkningar i Advanced storskaliga parallella superhopen (ALPS) i NCHC.
OBS: För att studera C 84 monoskiktet / Si-substrat hetero med MD simulering, bör man förbereda en simuleringsmodell av flera åtgärder för att uppnå en avslappnad C 84 monoskikt inbäddat i Si-substratet. Observera att det är svårt att generera en exakt samma struktur från de experimentella data, på grund av komplexet av inter struktur mellan C 84 monoskikt och Si (111) -substrat hetero. Som ett resultat, använder vi ett konstgjort sätt att generera simuleringsmodellen med flera steg av förfarandet,vilket illustreras i figur 5. Detaljerna beskrivs i följande protokoll. Vi beskriver hur man ställer in parametern MD i lammps upprätta en avslappnad C 84 fullerenmono inbäddad i ett substrat, utföra ett förfarande indrag och analysera simuleringsresultaten.

  1. Parametrering i lammps indatafil
    1. Använda gräns kommando för att ställa de periodiska randvillkor i x- och y-riktningarna.
    2. Använda "fix hastighet" -kommando för att tilldela den initiala hastigheten med en Gauss-fördelning på varje atom av systemet, slumpmässigt.
    3. Använd "fixa pair_style" för att tilldela Tersoff 18 och AIREBO 19 potentialer för att beskriva Si-Si och Si-C-interaktion och CC interaktion, respektive.
    4. Använd "fix nvt" och "fixa npt" för att anta näsan-Hoover-metoden 20 för att säkerställa att systemet förblir vid önskad temperatur och tryck för att genengradera en kanonisk och isotermisk-isobar ensemble 20, i vilket system hastigheten-Verlet algoritmen 20 används för att förutsäga de banor av atomerna. Använd både "fix nvt" och "run" kommandon för att ställa in en kylningshastighet av 3 K / usek för glödgningsprocessen.
    5. Använd "tidssteg" för att ställa in en tidssteg av 0,2 fsec som integrationstiden.
    6. Använd "fixa vägg / reflekterar" för att anta en reflekterad vägg för att begränsa den grad av frihet (5.3.2).
    7. Använd "region" och "grupp" för att dela upp substratet i olika kontrollnivåer (5.4.3): newtonska atomskikt, ett värmereglerskiktet, och en botten fast skikt, som kan ställas in med hjälp av "fix NVE", " fixa nvt ", och" fixera setforce "kommandon, respektive.
    8. Använd "region" och "create_atoms" kommandon att skapa en sfärisk sond.
    9. Använd "fix flytta" för att bädda in C84 monoskiktet i substratet (5,4.2) och flytta sonden under simuleringen (5.5.2).
    10. Använd "run" kommando för att utföra MD simulering.
    11. Använd "beräkningskraft" (5.6.1) och "compute spännings / atom" (5.6.4) kommandon för att utvärdera atom stress och indrag kraft.
      OBS: I det följande, förutom struktur fastställande var alla steg görs av lammps manus.
  2. Använd frikopplingskrets och OVITO beredning av Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Slå på OSSD programvara. Klicka på knappen "Sök". "Sökkriterier" panel presenteras. Valde Si-substrat, elementärt typ, rekonstruerade struktur, halvledar elec, diamant gitter, 111 ansikte och 7 x 7 mönster. Klicka på "Sök" och "Acceptera" knapparna. "Struktur listan" panel presenteras. Klicka på den önskade strukturen (dvs Si (111) 7 x 7). Klicka på "File" -knappen. Spara samordnings filen som .xyz fil.
      OBS: Vi påpekar att den strukturelladatabas som extraherats från frikopplingskrets inte är tillräckligt stor för vår indrag simulering. Som ett resultat, vi bygga en större och tjockare substrat genom följande steg.
    2. Slå på OVITO programvara. Ladda .xyz filen i OVITO. Använd "Slice" för att fånga en supercell av Si (111) 7 x 7 yta med storleken på 26,878 x 46,554 Å 2 i x- och y-led. Exportera datafilen. Använd "Slice" för att fånga en supercell av botten Si (111) substrat med storleken på 26,878 x 46,554 x 9,7 Å 3. Använd "Visa periodiska bilder" för att kopiera supercell 12 gånger i z-riktningen. Exportera datafilen.
    3. Kombinera datafiler Si (111) 7 x 7 yta och Si (111) substrat modeller av Notepad ++ (en fri källkod editor). Slutligen, ladda kombinerade data till OVITO. Använd "Visa periodiska bilder" för att kopiera en 5 x 3 supercell i x- och y-riktningar för att förstora substrat.
    4. Använda lammps att utföra en 20 usekMD simulering tid för avkoppling simuleringsmodellen. I det följande, utföra en släckningsprocessen från 1550 K till rumstemperatur under 500 ps tidssimulering. Slutligen, utför en 10 ps simulering dags för den sista avkoppling processen.
  3. Framställning av C 84 Fullerene Monolayer
    1. Hämta samordning filen för Optimerad struktur C 84 fulleren från banan 21 och skriva ett FORTRAN program för att replikera 49 C 84 fullerener arrangerade i en bikakestruktur.
    2. Använd lammps att ställa reflektera väggar på och under C 84 monolager för att säkerställa att molekylerna bo på en plan. Utför en MD simulering tid för 200 ps att koppla simuleringsmodellen. I det följande, utföra en släckningsprocessen från 700 K till rumstemperatur för att erhålla en glob minimi tillstånd för 500 ps simulering tid. Slutligen, utför en 10 ps simulering för slut avkoppling process.
  4. Upprätta Indentamodellen C 84 Fullerene monoskikt på kisel (111) 7 x 7 Surface.
    1. Skriv ett Fortran-kod för att lägga C 84 monoskiktet på Si (111) 7 x 7 yta med avstånd på 3 Å för att fastställa indraget modell.
    2. Använd lammps att bädda C 84 monoskiktet i substratet med djupet av 2 ~ 3 Å. I det följande, kör en 40 ps simulering tid för system avkoppling. Slutligen, glödga systemet till rumstemperatur.
    3. Dela kiselsubstratet i en övre newtonska atom skikt, ett värmereglerskiktet, och ett botten fast skikt, som är 0,7, 2, och 5,3 nm i tjocklek, respektive. C 84 monoskikten också modelleras som en newtonska atom.
  5. Indrag Processen MD
    1. Använd lammps att skapa en sfärisk sond med 5 nm i diameter på C 84 / Si (111) 7 x 7 ytläge (Figur 5). Proben är inställd som en stel kropp. Ange en konstant hastighet av 10 m / sek på probe att röra sig nedåt mot förlagan i indraget processen.
    2. Förflytta sonden nedåt med den förlaga vid en konstant hastighet tills den specifika laddningsdjup (dvs inklusive de fall av 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20, och 30 A för att undersöka effekten av C 84 fullerener monoskikt på Si-substratet, där storleken på C 84 fulleren är 11 Å) i laddningsprocessen. Håll sonden på substratet i hållprocessen för att möjliggöra en uppmjukning av atomer. Slutligen, extrahera sonden från substratet vid en konstant hastighet i indragningsprocessen.
  6. Beräkning och analys
    1. Beräkna inbuktningen kraften genom att summera den vertikala kraften av atomer i sonden enligt följande formler:
      Ekvation (1)
    2. Extraherade reducerade modul och styvhet från kraft avstånd kurva av indrag. Baserat på Oliver och Pharr & #39; s-metod 22, ett linjärt samband kan härledas mellan Youngs modul och avlastnings styvhet. Styvheten (dvs lutningen för den initiala delen) av kurvan avlastnings definieras som
      Ekvation (2)
      där P, H, A, och E r är indraget belastning, elastisk förskjutning av sonden, projicerade arean av fördjupningen, och reducerad modul. β (= 1 för cirkulär indenter) är formförändringsfaktorn. Förhållandet mellan reducerad modul och Youngs modul kan skrivas som
      Ekvation (3)
      där E och v är Youngs modul och Poissons tal för provet och E I och V i är den Youngs modul och Poissons förhållande för indenter.
    3. Beräkna hårdhet genom definitionen av H = P max / A, där P max och A är den maximala intryckkraften och projicerade ytan av sonden.
    4. Beräkna virial atom påkänning 22 på m planet för substratet i det n -riktningen genom
      Ekvation (4)
      där m i är massan hos atomen i; Ekvation och Ekvation är hastighetskomponenterna av atom i i m - och n -directions, respektive; Vj är volymen tilldelas runt atom i; N s är antalet partiklar som finns i region S, där S är definierad som den region i atom interaktion ; Φ (r ij) är den potentiella funktion, r ij är avståndet mellan atomer i och och Ekvation är m - och n-riktning komponenter av vektorn från atom i att atom j.
    5. Använda OVITO att visa von-Mises stam av varje atom invariant i enlighet med följande formler:
      Ekvation (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ett monoskikt av C 84-molekyler på en oordnad Si (111) yta tillverkades med användning av en kontrollerad självorganiserande processen i en UHV kammare Figur 1 visar en serie topografiska bilder som mäts av UHV-STM med olika grader av täckning:. (A) 0,01 ml, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml, och (d) 0,9 ML. De elektroniska och optiska egenskaperna hos C 84 inbäddade Si-substrat undersöktes också med användning av en mängd olika yt-analystekniker, såsom STM och PL (Figur 2). De utmärkta materialegenskaper hos de resulterande proven visar hur nanoteknik kan användas för kontroll av materia på atom- och nanoskalor. MFM och SQUID Resultaten i figur 3 visar ytan magnetism C 84 inbäddade substrat. Figur 4 presenterar UHV-AFM resultat som hänvisar till nano av föreslagna substrat. Våra experimentella resultat visar potentialen hos den C 84 figur 4).

I avsnitt simuleringen, är alla förfaranden som avslutats genom att använda lammps att utföra MD simuleringar. De mekaniska egenskaperna (indrag kraft- och kontaktspännings) av fulleren inbäddade substratet beräknas och visas i Figur 6. Den von-Mises stam analys av atomer vid olika tidssteg används för att karakterisera den lokala deformationen. Motsvarande ögonblicksbilder som en funktion av indrag djup kan ses i insatserna i figur 6, som beräknades och visualiseras med OVITO. Resultaten av intryckskraft som en funktion av indrag djup används för att beräkna hårdheten H (figur 7a), reducerad modul E <sub> r (figur 7b), och lastning stelhet S (figur 8) av C 84 monoskiktet. Resultaten kan jämföras med den som bestäms genom experiment och ger en mer detaljerad perspektiv att tolka variationen av den mekaniska egenskapen.

Figur 1
Figur 1: C 84 Embedded Si-substratet med olika täckning Serie av STM topografiska bilder (40 x 40 nm 2) visar C 84 molekyler adsorberade på Si (111) yta vid en negativt prov förspänning av 2 V, mätt genom UHV-STM. med olika grader av täckning: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ml och (d) 0,9 ML.

figur 2
Figur 2: elektroniska egenskaper mätningar på C 84 Embedded Si-substrat (a) IV kurvor och differential derivat konduktans (dl / DV) vs spänningskurvan för en enda självmonterat skikt av C 84, som bestäms av UHV-STM. ; (B) Fältemissionsströmtäthet vs elektriskt fält kurva; (C) Motsvarande FN tomt på ytan med inbyggd C 84, mätt med hjälp av en källa-mätenhet; (D) fotoluminescens spektrum av enstaka själv sammansatta lager av C 84. Re-print med tillstånd från 12 referens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: Surface magnetism på C 84 Embedded Si-substrat (a) MFM bild av Si-substratet inbäddade med C 84. (B) Magnetisering slinga avsatt mot yttre magnetfält Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Tvångs avstånd analys av oordnade Si yta nanomechanical undersökning på C 84 Embedded Si-substrat, 7 x 7 yta, enkel själv sammansatta skikt av C 84 bäddas in i Si-yta, och Si yta, bestämt med användning av UHV-AFM.. Åter ut med tillstånd från referens 11. Klicka här Vänligenatt se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Flödesschema för upprättande av simuleringsmodell Den dramatiska visar inställningen i MD simuleringen från ett enda skikt C 84 och Si (111) 7 x 7 yta till en C 84 monoskikt bädda in Si (111) 7 x 7 modell.. Detalj procedurer kan ses i avsnitt 5 i protokollet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6: Indragningen kraft och kontaktspänningsanalys indrag kraft (svart) och kontaktspänning (blå) av C 84 som en funktion av indrag djup.. Sätter invisar motsvarande ögonblicksbilder, där olika färger anger motsvarande von Mises stam (ε VM) av alla atomer. För att rensa visa stammen lokalisering, bara atomerna med ε VM> 0,08 visas i ögonblicksbilden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7:.. Hårdhet och minskad modul analys (a) Hårdhet och (b) minskad modul variation som en funktion av indrag djup för C 84 monoskikt på Si yta Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 8: Loading stelhet analys. Lastning styvhet som en funktion av avstånd bestäms av MD simuleringar jämfört med att genom AFM experiment för C 84 / Si. Modifierad från referens 16. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna studie visar vi framställning av ett självmonterat monoskikt av C 84 på ett Si-substrat genom en roman glödgningsprocessen (Figur 1). Denna process kan även användas för att framställa andra typer av nanopartikelinbäddade halvledarsubstrat. C 84 -embedded Si-substrat präglades på atomär skala med hjälp av UHV-STM (Figur 2), fältemissionsspektrometer, luminiscens spektroskopi, MFM och SQUID (Figur 3).

Vidhäftningsstyrkan motsvarande nanomechanical egenskaper (dvs. spännings) av C 84 -embedded Si-substrat kan mätas med hjälp av AFM (Figur 4). Våra resultat visar att hårdheten hos det föreslagna C 84 -embedded Si-substrat är jämförbar med den hos SiC och Si-ytor, vilket gör det gälla som ett slipmaterial för skärverktyg samt en film i MEMS-enheter.

jove_content "> I avsnittet simulering, är von Mises-stammen (ε Vm) analys med förmåga att detektera den lokala deformationen av atomstruktur, som är mycket svår att observeras i experimentet. Det är emellertid inte möjligt att karakterisera fasomvandling. här föreslår vi några användbara index som samordningsnummer och hA index 23 för att undersöka fasomvandlingen. i fastställandet av indraget modell måste vi påpeka att storleken av substratet i plan riktning måste vara minst tre gånger större än sondens diameter för eliminering av storlekseffekten och randvillkoret begränsning, vilket skulle påverka dynamiken och kraftflödet av atomer.

Dessutom, på grund av den tid av MD-simulering för att studera indraget processen bör sonden utöva provet med en mycket snabb hastighet jämfört med i experimentet. Vi noterar att en sådan laddningshastighet är för hög för att komma ut på lång tid vidmiska diffusion och migration beteende, men det är fortfarande lämpligt att observera och beskriva den plastiska deformationen beteende och materialegenskaper under mekanisk belastning 24 eftersom resultaten kan betraktas som ungefär kvasistatiska i naturen 25. En alternativ teori, heter Parallel Replica dynamik (PRD) 26, har utvecklats för att kraftigt påskynda tiden simulering, men det kräver stora datorresurser.

De data som erhållits från MD simuleringsstudie stämmer överens med AFM indrag experimentet (figur 8); dessutom hårdheten och minskad modul av C 84 -embedded Si-substrat är jämförbara med andra Si-substrat. Dessa data tyder på att C 84 -embedded Si-substrat kan ha en betydande inverkan på optoelektroniska och utspädd magnetisk halvledare (DMS) nanokomponenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer Si(111). Type/Dopant: P/Boron; Resistivity: 0.05-0.1 Ohm·cm
Carbon, C84 Legend Star C84 powder, 98%
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich 84422 RCA, 37%
Ammonium Choneye Pure Chemical RCA, 25%
Hydrogen peroxide Choneye Pure Chemical RCA, 35%
Nitrogen Ni Ni Air high-pressure bottle, 95%
Tungsten Nilaco 461327 wire, diameter 0.3 mm, tip
Sodium hydroxide UCW 85765 etching Tungsten wire for tip
Acetone Marcon Fine Chemicals 99920 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
Methanol Marcon Fine Chemicals 64837 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
UHV-SPM JEOL Ltd JSPM-4500A Ultrahigh Vacuum Scanning Tunneling Microscope and Ultrahigh Vacuum Atomic Force Microscope
Power supply Keithley 237 High-Voltage Source-Measure Unit
SQUID Quantum desigh MPMS-7 Magnetic field strength: ±7.0 Tesla, Temperature range: 2–400 K, Magnetic-dipole range: 5 × 10-7 – 300 emu
ALPS National Center for High-performance Computing, Taiwan Advanced Large-scale Parallel Supercluster, 177Tflops; 25,600 CPU cores; 73,728 GB RAM; 1,074 TB storage

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kroto, H. W., Heath, J. R., O'Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
  2. Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
  3. Margadonna, S., et al. Crystal Structure of the Higher Fullerene C84. Chem. Mater. 10, 1742-1744 (1998).
  4. Diederich, F., et al. The Higher Fullerenes: Isolation and Characterization of C76, C84, C90, C94, and C70O, an Oxide of D5h-C70. Science. 252, 548-551 (1991).
  5. Lv, Z., Deng, Z., Xu, D., Li, X., Jia, Y. Efficient organic light-emitting diodes with C60 buffer layer. Displays. 30, 23-26 (2009).
  6. Tokunaga, K. On the difference in electronic properties between fullerene C60 and C60X2. Chem. Phys. Lett. 476, 253-257 (2009).
  7. Basa, D. K., Smith, F. W. Annealing and crystallization processes in a hydrogenated amorphous Si---C alloy film. Thin Solid Films. 192, 121-133 (1990).
  8. Neudeck, P. G., Powell, J. A. Performance limiting micropipe defects in silicon carbide wafers. IEEE Electron Device Lett. 15, 63-65 (1994).
  9. Huang, C. P., Su, C. C., Ho, M. S. Intramolecular Structures of C60 and C84 Molecules on Si(111)-7x7 Surfaces by Scanning Tunneling Microscopy. Appl. Surf. Sci. 254, 7712-7717 (2008).
  10. Huang, C. P., Su, C. C., Su, W. S., Hsu, C. F., Ho, M. S. Nano-measurements of electronic and mechanical properties of fullerene embedded Si(111) surfaces. Appl. Phys. Lett. 97, 061908 (2010).
  11. Huang, C. P., Hsu, C. F., Ho, M. S. Investigation of Fullerene Embedded Silicon Surfaces with Scanning Probe Microscopy. J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 7145-7148 (2010).
  12. Huang, C. P., Su, W. S., Su, C. C., Ho, M. S. Characteristics of Si(111) surface with embedded C84 molecules. RSC Adv. 3 (111), 9234-9239 (2013).
  13. Method of forming self-assembled and uniform fullerene array on surface of substrate. US Patent. Ho, M. S., Huang, C. P. , US9109278 (2015).
  14. Plimpton, S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J. Comp. Phys. 117, 1-19 (1995).
  15. Su, W. S., et al. Using a functional C84 monolayer to improve the mechanical properties and alter substrate deformation. RSC Adv. 5, 47498-47505 (2015).
  16. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO- the Open Visualization Tool. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  17. Watson, P. R., Hove, M. A. V., Hermann, K. Open Surface Structure Database. , Available from: http://www.fhi-berlin.mpg.de/KHsoftware/oSSD (2014).
  18. Tersoff, J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys. Rev. Lett. 56, 632 (1986).
  19. Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions. Journal of Chemical Physics. 112, 6472 (2000).
  20. Rapaport, D. C. The Art of Molecular Dynamics Simulations. , Cambridge University Press. (1997).
  21. Fowler, P. W. Cn Fullerenes. , Available from: http://www.nanotube.msu.edu (2013).
  22. Chandra, N., Namilae, S., Shet, C. Local elastic properties of carbon nanotubes in the presence of Stone-Wales defects. Phys. Rev. B. 69, 094101 (2004).
  23. Honeycutt, J. D., Andersen, H. C. Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of Small Lennard-Jones Clusters. J. Phys. Chem. 91, 4950 (1987).
  24. Schulz, M. J., Kelkar, A. D., Sundaresan, M. J. Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials. , Taylor & Francis. 736 (2005).
  25. Ju, S. P., Wang, C. T., Chien, C. H., Huang, J. C., Jian, S. R. The Nanoindentation Responses of Nickel Surfaces with Different Crystal Orientations. Molecular Simulation. 33, 905-917 (2007).
  26. Mishin, Y., Suzuki, A., Uberuaga, B. P., Voter, A. F. Stick-slip behavior of grain boundaries studied by accelerated molecular dynamics. Phys. Rev. B. 75, (2007).

Tags

Engineering Fullerene C Si-substrat elektronik yta magnetism molekyldynamik svepspetsmikroskopi nano mekaniska egenskaper nanoindentation fysik
Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och Molecular Dynamics
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J.… More

Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J. H., Chou, C. F., Lee, W. J. Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics. J. Vis. Exp. (115), e54235, doi:10.3791/54235 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter