التحقيق C

تهدف هذه الدراسة إلى تصنيع وصلة هجينة من ركيزة سيليكون مدمج بها C84، وإجراء تحليل لاحق للحصول على فهم شامل للخصائص الإلكترونية، والإلكترونية الضوئية، والميكانيكية، والمغناطيسية، وخصائص الانبعاث الميداني للمواد الناتجة. وتُعد المواد النانوية توجهاً متصاعداً في ثورة المواد. وبمساعدة المجهر المسباري الماسح، سنتمكن من تحديد خصائص البنى النانوية على الأسطح بدقة ووضوح كافيين.

باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية، يمكننا مراقبة السلوك الذري والميكانيكي لعملية الانطباع بناءً على النوع. أُجريت جميع عمليات المحاكاة باستخدام الحوسبة المتوازية في العنقود الفائق ALPS التابع لـ NCHC، بينما أُنجز جميع العمل التجريبي في مختبر علوم النانو بجامعة NCHU. والأشخاص الذين سيقومون بشرح الإجراءات هم Che-Fu وPei-Fang وYa-Chi وWei-Pin من مجموعتي.

أولاً، يتم تنظيف ركيزة سيليكون 111 عن طريق تطبيق مذيب يليه التسخين في نظام فراغ فائق العلو لإزالة طبقة الأكسيد والشوائب من سطح الركيزة. ولترسيب C84 على سطح السيليكون، يتم تسخين مبخر Castle مسبقاً باستخدام مصدر طاقة خارجي عبر فتائل تسخين حتى 500 degrees celsius لتعزيز خروج الغازات الملوثة. بعد ذلك، يتم تحميل جسيمات C84 النانوية في حاوية Castle.

بعد ذلك، قم بتسخين القلعة مقاومياً إلى 650 °C لتبخير جسيمات C84 النانوية. الآن، قم بتبخير جسيمات C84 النانوية في خطوط مستقيمة حتى تصطدم بركازة السيليكون عبر صمام متحكم به عند ضغط أقل من 5×10⁻⁸ Pa. عقب ذلك، قم بتسخين ركازة ALBA silicon 111 في نظام فراغ فائق العلو عند 900 °C للحصول على هياكل 1×1.

قم بخفض درجة الحرارة إلى 650 degrees celsius لمدة 30 دقيقة لترسيب جسيمات C84 النانوية على سطح الركيزة. وفي ركيزة ALBA السيليكونية عند درجة حرارة 750 degrees celsius تقريباً لمدة 12 ساعة، حيث تتجمع جسيمات C84 النانوية المسحوقة ذاتياً لتشكل مصفوفة فوليرين عالية الانتظام على سطح ركيزة السيليكون 111. عند هذه النقطة، ضع ركيزة السيليكون المدمجة بـ C84 على حامل عينات مجهر المسبار الماسح، أو SPM.

انقل العينة من غرفة التبادل إلى غرفة تحضير العينات. أدخل الحامل في نظام رأس مسح UHV-STM وانقل العينة إلى غرفة الملاحظة. بعد ذلك، قم بعمل مسح للانحياز المطبق على العينة من خمسة فولتات سالبة إلى خمسة فولتات موجبة.

بعد ذلك، انقر على عنصر قياس IV لقياس تيار النفق (tunneling current) بدقة ذرية. اختر ما لا يقل عن 20 موقعاً محدداً على ركيزة السيليكون المدمج بها C84 لإجراء القياسات. ولقياس طاقة فجوة النطاق (band gap energy)، احصل على منحنيات IV كما هو موضح سابقاً من الأسطح المشار إليها في البروتوكول النصي.

بعد ذلك، ضع الركيزة السيليكونية المدمجة بـ C84 على حامل عينات الانبعاث الميداني (FE). أدخل الحامل في غرفة تحليل FE. ثم، قم بتفريغ الغرفة وصولاً إلى ضغط يبلغ حوالي 5 × 10⁻⁵ pascal من أجل قياس FE.

زد الجهد الكهربائي المطبق يدويًا على الركيزة من 100 إلى 1,100 فولت. قم بقياس تيار الانبعاث المجالي المقابل كدالة في الجهد المطبق باستخدام وحدة قياس مصدر جهد عالٍ مزودة بمضخم تيار. والآن، ضع الركيزة المختبرة في مركز حجرة العينة الخاصة بنظام قياس الانبعاث البصري.

بعد ذلك، قم بتركيز مصدر ليزر الهيليوم والكادميوم بانبعاثات تبلغ 325 nanometer. وبعد إعداد المطياف، احصل على طيف التلألؤ الضوئي من خلال تجميع وتحليل الفوتونات المنبعثة. قم بتمغنط عينات الركيزة السيليكونية المدمجة بـ C84 قبل إجراء مطيافية القوة المغناطيسية، أو قياسات MFM، عن طريق تطبيق مغناطيس بقوة مجال تبلغ حوالي 2 kilo oersted.

بعد وضع العينة الممغنطة على منصة عينات مجهر القوة المغناطيسية (MFM)، افحص البنية المجهرية للفوليرين في النطاق المغناطيسي المدمج داخل ركيزة السيليكون باستخدام MFM في وضع الرفع (lift mode) مع تطبيق مغنطة عمودية على سطح العينة. بعد ذلك، قم بمغنطة عينات ركيزة السيليكون المدمجة بـ C84 وتجمعات C84 الموجودة على ركيزة السيليكون المدمجة بـ C84 قبل تجارب جهاز تداخل الكمّ الفائق (SQUID) عن طريق تطبيق مغناطيس بقوة مجال تبلغ حوالي 2 kilo oersted. ضع العينة الممغنطة في جهاز SQUID.

بعد ذلك، قم بتطبيق مجال مغناطيسي مسحي في نطاق يبلغ حوالي 2 kilo oersted. احصل على حلقات المغنطة المرسومة مقابل المجال المغناطيسي الخارجي من خلال قياسات SQUID في درجة حرارة الغرفة. ولقياس صلابة ركيزة السيليكون المدمج بها C84، ضع أولاً إحدى الركائز على منصة عينات AFM، أو المجهر الذري.

بعد ذلك، يتم الحصول على قياسات القوة تحت الظروف الجوية من ركائز السيليكون المناسبة. يتم الحصول على قياسات القوة كما تم وصفه سابقاً باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) ونظام الفراغ الفائق (UHV) من ركائز السيليكون المناسبة. ولتحضير ركيزة السيليكون، قم بتشغيل برنامج OSSD.

انقر على زر البحث لإظهار لوحة معايير البحث. اختر الركيزة السيليكونية (silicon substrate)، والنوع العنصري (elemental type)، والبنية المعاد بناؤها (reconstructed structure)، وموصل أشباه الموصلات (semi-conductor elec)، وشبكية الماس (diamond lattice)، والوجه 111، ونمط سبعة في سبعة (seven by seven pattern). ثم انقر على زري البحث والموافقة لعرض لوحة قائمة البنى.

انقر على هيكل سطح السيليكون 111 سبعة في سبعة المطلوب. الآن، انقر على زر الملف واحفظ ملف الإحداثيات كملف xyz. بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج Ovito، وقم بتحميل ملف xyz في البرنامج، واستخدم أمر القطع (slice) لالتقاط خلية فائقة لهيكل سطح السيليكون 111 سبعة في سبعة بالحجم المناسب، 26.878 في 46.554 angstrom squared في اتجاهي X وY.

استخدم أمر خلية المحاكاة (simulation cell) لضبط حجم الخلية في الاتجاهين X وY وإزاحة الخلية إلى نقطة الأصل صفر. استخدم التحويل التآلفي (affine transformation) وانقر على مصفوفة التحويل (transform matrix) لإزاحة النموذج بمقدار 5.714 angstroms في الاتجاه العمودي. استخدم أمر التقطيع (slice) لقص طبقة الذرات السفلية في الاتجاه العمودي.

قم بتصدير ملف البيانات بصيغة LAMMPS. من خلال صيغة ملف بيانات LAMMPS، سيتم تحديد حدود الخلية. أعد تحميل البيانات بصيغة LAMMPS في برنامج Ovito.

استخدم الأمر wrap at periodic boundaries لإعادة ترتيب البنية داخل الخلية. استخدم التحويل الأفيني (affine transformation) وانقر على transform matrix لإزاحة النموذج بمقدار 84.6 angstroms في الاتجاه العمودي. استخدم أمر simulation cell لضبط حجم الخلية ليكون 150 angstroms في اتجاه Z.

قم بتصدير ملف البيانات بتنسيق LAMMPS. أعد تحميل البيانات في برنامج Ovito. استخدم خاصية إظهار الصور الدورية (show periodic images) لتكرار خلية فائقة بمقدار خمسة في ثلاثة في اتجاهي X و Y لتكبير حجم الركيزة.

قم بتصدير ملف البيانات بتنسيق LAMMPS. بعد إعداد ملف إحداثيات لخلية فائقة من السيليكون 111 بالحجم المناسب، قم بتحميل البيانات في برنامج Ovito. استخدم خاصية "show periodic images" لمضاعفة الخلية الفائقة بمقدار خمسة في ثلاثة في ثمانية في اتجاهات X وY وZ لزيادة حجم الركيزة.

استخدم التحويل الأفيني (affine transformation) وحدد مصفوفة التحويل لإزاحة النموذج إلى نقطة الأصل في اتجاه Z بمقدار 37.6184 angstroms. قم بتصدير ملف البيانات بتنسيق LAMMPS. ادمج ملفات بيانات سطح السيليكون 111 سبعة في سبعة ونماذج ركيزة السيليكون 111 باستخدام محرر نصوص.

أصبح نموذج الركيزة السيليكون 111 سبعة في سبعة جاهزاً. ولتحضير طبقة أحادية من فوليرين C84، قم بتنزيل ملف الإحداثيات الخاص بفوليرين C84 من الويب. استخدم برنامجاً مُصمماً داخلياً لمضاعفة جزيئات فوليرين C84 بمقدار سبعة في سبعة بحيث تكون مرتبة في بنية قرص العسل.

بعد ذلك، استخدم برنامجاً مصمماً داخلياً لوضع طبقة أحادية من C84 على سطح السيليكون 111 سبعة في سبعة بمسافة قدرها 3 Å. استخدم أمر load data لتحميل نموذج المحاكاة في نص LAMMPS البرمجي. ثم، استخدم أمري set up the region و create atom لإنشاء مسبار كروي بقطر 5 nm.

أخيراً، يتم إعداد نص إدخال لبرنامج LAMMPS لمحاكاة عملية الغرز وحساب الخواص الميكانيكية التفصيلية. تم تصنيع طبقة أحادية من جزيئات C84 على سطح سيليكون 111 غير منتظم باستخدام عملية تجميع ذاتي متحكم بها، وتظهر هنا سلسلة من الصور الطبوغرافية التي تم قياسها بواسطة UHV-STM بدرجات تغطية متنوعة. كما تم استقصاء الخواص الإلكترونية والبصرية لركيزة السيليكون المدمجة بـ C84 باستخدام تقنيات تحليل STM والوميض الضوئي.

تُظهر الخصائص المادية الممتازة للعينات كيف يمكن استخدام تكنولوجيا النانو للتحكم في المادة على المقياسين الذري والنانوي. وتكشف نتائج MFM وSQUID عن المغناطيسية السطحية للركيزة المدمجة بـ C84. كما تُبرهن نتائج UHV-AFM على إمكانية استخدام ركيزة السيليكون المدمجة بـ C84 كبديل لكربيد أشباه الموصلات في الأجهزة الإلكترونية النانوية للتطبيقات ذات درجة الحرارة العالية، والقدرة العالية، والتردد العالي.

وكذلك في الأنظمة المغناطيسية والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة. تُعرض هنا عملية محاكاة الديناميكا الجزيئية للاختبار المجهري بالمسبر النانوي لركيزة مدمجة بـ C84. كما تُعرض هنا الخصائص الميكانيكية للركيزة المدمجة بالفوليرين.

يمكن رؤية اللقطات المقابلة كدالة في عمق الانبعاج هنا. وتُستخدم نتائج قوة الانبعاج كدالة في عمق الانبعاج لحساب الصلادة، والمعامل المختزل، وصلابة الانتفاخ لطبقة C84 أحادية الطبقة. ومن الشائع الآن الاعتقاد بأن المواد النانوية ستحقق تطوراً ملموساً في العلوم والتقنيات نظراً لوحدة الطبقة في الخصائص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية.

بوجود طبقة واحدة فقط من الفوليرين، يمكن تغيير خصائص ركيزة السيليكون بشكل جذري. وفي دراستنا، تتميز ركيزة السيليكون المدمجة بالفوليرين بحافة متموجة، وخصائص انبعاث وقود جيدة، وقوة عالية، كما أنها تمتلك خاصية المغناطيسية. وأعتقد أن الركائز المقترحة ستوفر أداءً أفضل في تطبيقات أوسع نطاقاً في مجال تكنولوجيا النانو.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية إجراء التجارب والمحاكاة للمغناطيسية السطحية. إن استعراض هذه التقنيات الشاملة سيمهد الطريق للباحثين لاستكشاف الخصائص الأساسية للمواد.