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方法文章

使用扫描探针显微镜与分子动力学研究嵌入 C84 的硅基底

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DOI：

10.3791/54235

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2016年9月28日

 ,  ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

本文报道了通过纳米测量和分子动力学模拟检测与验证的富勒烯硅基底纳米材料的制备。

摘要

本文报道了一种采用超高真空腔内可控自组装方法制备的嵌入C84的硅基底阵列结构。在超高真空（UHV）条件及大气体系下，利用多种表面分析技术对嵌入C84的硅表面特性进行了表征，包括原子级分辨形貌、局域电子态密度、带隙能量、场发射性能、纳米力学刚度以及表面磁性。实验结果表明，通过可控自组装纳米技术机制制备的C84嵌入硅表面具有高度均匀性，这一成果在场发射显示器（FED）、光电子器件制造、微机电系统（MEMS）切削工具应用以及寻找碳化物半导体合适替代材料方面具有重要意义。采用基于半经验势的分子动力学（MD）方法可研究C84嵌入硅基底的纳米压痕行为。本文提供了执行MD模拟的详细说明，并包含了对MD模拟中力学分析的全面研究细节，如压痕力、杨氏模量、表面刚度、原子应力和原子应变等。可通过计算压痕模型的原子应力和冯·米塞斯（von-Mises）应变分布，实现对原子尺度下随时间演化的变形机制的监测。

引言

富勒烯分子及其组成的复合材料因其优异的结构特性、电子导电性、机械强度和化学性质，在纳米材料中独具特色1-4。这些材料在电子学、计算机、燃料电池技术、太阳能电池和场致发射技术等多个领域已展现出显著的应用价值5,6。

在这些材料中，碳化硅（SiC）纳米颗粒复合材料因其宽禁带、高热导率和稳定性、高电击穿能力以及化学惰性而受到特别关注。这些优势在光电子器件、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）、发光二极管（LED）以及高功率、高频和高温应用中尤为显著。然而，传统碳化硅表面通常存在高密度缺陷，这些缺陷会对电子结构产生不利影响，甚至导致器件失效7,8。尽管自1960年以来碳化硅的应用已得到广泛研究，但这一特定的未解决问题仍然存在。

本研究旨在制备一种嵌入C84的硅基底异质结，并对其进行后续分析，以全面理解所得材料的电子、光电、机械、磁性和场发射特性。我们还通过分子动力学计算的新颖应用，探讨了利用数值模拟预测纳米材料特性的相关问题。

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方案

注意：本文概述了在半导体基底表面形成自组装富勒烯阵列所采用的方法。具体而言，我们提出了一种制备嵌入富勒烯的硅基底的新方法，该基底可用于高温、高功率应用以及高频器件中的场发射器或微机电系统（MEMS）和光电子器件的基底9-13。

1. 在硅基底上制备C84的六方密排覆盖层

  1. 制备洁净的Si(111)衬底
    1. 将Si基底进行RCA（Radio Corporation of America）清洗，包括使用溶剂处理，随后在超高真空系统中加热，以去除基底表面的氧化层和杂质（参见支持材料）。
      注意：本文中，“UHV-超高真空系统”指低于1 x 10⁻⁹ mbar的真空度。-8 Pa 用于 Si(111) 的制备。
  2. 沉积 C84 在UHV系统中通过热蒸发法在硅表面成膜
    1. 通过加热丝将带外接电源的K型蒸发器预热至 500 °C 以促进杂质的脱气。
    2. 加载 C84 将纳米颗粒放入K-cell容器中。通过电阻加热方式加热K-cell至 650 °C. 汽化 C84 纳米颗粒作为C84 容器中的纳米颗粒形成蒸气。蒸发 C84 纳米颗粒以直线运动，直至通过一个受控阀门在低于5 x 10⁻⁵ Torr的压力下撞击硅基底-8 Pa.
  3. 嵌入 C84 通过自组装机制在硅表面形成的分子结构
    1. 在超高真空系统中对Si(111)衬底进行预退火处理 900 °C 以获得 (1x1) 结构。降低温度至 650 °C 30分钟，用于C的沉积84 基底表面的纳米颗粒
    2. 将硅基底在约750 °C下退火 °C 12 小时，此期间粉末-C84 纳米颗粒在Si(111)基底表面自组装成高度均匀的富勒烯阵列。
      注：本文中，“高度均匀的富勒烯阵列”指富勒烯在基底上均匀分布，其中大多数纳米颗粒以垂直于基底表面的紧密排列方式取向。该结构有助于确保所有样品中富勒烯阵列的垂直高度基本一致。

2. 含C84的硅基底电子性质的测量

  1. 使用超高真空扫描隧道显微镜测量局域电子态密度
    1. 使用超高真空扫描探针显微镜测量特定原子的 I-V 曲线
    2. 将嵌入 C84 的硅基底放置于扫描探针显微镜样品托上。将样品托引入超高真空扫描隧道显微镜（STM）扫描头系统中。将施加的样品偏压从 -5 V 扫描至 5 V。
    3. 点击“I-V”测量选项，以原子分辨率测量隧道电流 I。在嵌入 C84 的硅基底上选择至少 20 个特定位置进行测量。计算 20 个特定位置处隧道电流 I 的平均值。推导电流 I 随电压变化的函数关系，并绘制 I-V 曲线。
    4. 计算 I(V) 对 V 的导数。将 I-V 曲线转换为 dI/dV 随电压变化的曲线，以确定嵌入 C84 的硅基底的局域电子态。
  2. 测量带隙能量
    1. 根据步骤 2.1.2 和 2.1.3 的操作流程，分别从以下样品获取 I-V 曲线：Si(111)-7x7 表面、Si(111)-1x1 表面、硅基底上的单个 C84 纳米粒子、硅基底上的 7-19 个 C84 簇、硅基底上的 20-50 个 C84 簇，以及嵌入硅表面的单层 C84。
    2. 计算 I(V) 对 V 的导数。将 I-V 曲线转换为 dI/dV 曲线，以测量各测量位置的 HOMO-LUMO 能级差（即带隙能量），如图 2a所示。
  3. 获取场发射（FE）特性
    1. 将嵌入 C84 的硅基底放置于场发射样品托上。将样品托插入场发射分析腔室中。将腔室抽真空至约 5 x 10-5 Pa 的压力，用于场发射测量。
      注：嵌入 C84 的硅基底作为阴极，横截面积约为 0.71 mm2 的铜探针作为阳极。阴极与阳极之间的距离约为 590 µm。
    2. 手动将施加在基底上的电压从 100 V 逐步增加至 1,100 V。使用带电流放大器的高压源测量单元，测量场发射电流随施加电压的变化关系。
    3. 根据约 5 eV 的功函数计算 Fowler-Nordheim 场发射相关性，如图 2b所示。
    4. 按如下方式获取几何场增强因子（β）：F(场) = β(V/d)，所得 β 值约为 4,383。
    5. 基于自然对数（J/E2）与（1/E）关系曲线的斜率，获取真空条件下的电击穿场强，测得嵌入 C84 的硅基底的值约为 4.0 x 106 V/cm，如图 2c所示。
  4. 光电特性
    1. 将测试基底转移至光学发射测量系统中。将发射波长为 325 nm 的 He-Cd 激光源聚焦于样品腔室中心位置的基底上。将光谱仪置于合适位置。通过收集并分析发射光子，利用光谱仪获取光致发光光谱。光电特性结果如图 2d所示。

3. 表面磁性的测量

  1. 获取磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy）形貌图。
    1. 磁化 C 样品84-在进行MFM测量之前，通过施加磁场强度约为2 kOe的磁铁对嵌入式Si进行磁化。
    2. 将磁化样品置于MFM样品台上。点击“获取MFM形貌”选项。在提升模式下使用MFM，施加垂直于样品表面的磁化场，观察富勒烯在嵌入Si基底中的磁畴内的微观结构。
    3. 使用纳米级 PPP-MFMR 悬臂梁进行磁力显微镜测量（图3a）。若磁性探针的磁矩方向与基底磁矩方向相同时，磁力显微镜形貌呈现更暗（更亮），则判定表面磁性为同向（反向）。
  2. SQUID（超导量子干涉仪）测量
    1. 制备 C 单层84-嵌入式硅基板和C84 C上的簇84 嵌入式硅基底
    2. 磁化C样品84嵌入的 Si 和 C84 C上的簇84 在进行SQUID实验之前，通过施加磁场强度约为2 kOe的磁体对嵌入式Si衬底进行磁化。
    3. 将样品置于SQUID中，在约2 kOe的范围内施加扫描磁场。在室温下通过SQUID测量获得磁化回路随外加磁场的变化曲线。
      注意：如图所示，可获得铁磁材料典型的 M-H 曲线 图3b.

4. 基于原子力显微镜的纳米力学性能测量

注意：原子力显微镜（AFM）是一种强大的工具，可用于表征材料在空气以及超真空（UHV）环境中的微观和纳米尺度下的材料与力学性能。

  1. 在大气条件下测量嵌入 C84 的 Si 衬底的刚度
    1. 将衬底放置在原子力显微镜（AFM）样品台上。使用扫描器带动尖锐探针在衬底表面移动，监测探针位移以反映探针-样品相互作用力。通过点击“力测量”选项，在特定位置沿垂直方向记录多个探针-样品距离下的运动数据。
    2. 在大气条件下，使用原子力显微镜（AFM）对经 RCA 清洗的 Si 衬底（表面带有 2–3 nm 厚的天然氧化层）、嵌入 C84 的 Si 衬底以及涂覆有 SiC 薄膜的 Si 衬底进行力测量。
    3. 利用 AFM 软件在大气条件下绘制力-距离曲线。
      注：AFM 悬臂为 Si 探针，其探针尖端半径约为 5–20 nm，弹簧常数约为 40 N/m。
  2. 在超高真空（UHV）腔室中测量嵌入 C84 的 Si 衬底的刚度
    1. 按照 4.1.1 节的指导，在超高真空（UHV）系统中的原子力显微镜（AFM）上，对经 RCA 清洗的 Si 衬底、洁净的 Si(111)-7x7 表面、嵌入 C84 的 Si 衬底以及涂覆有 SiC 薄膜的 Si 衬底进行力测量。
    2. 在超高真空（UHV）系统中绘制力-距离曲线。注：AFM 悬臂为 Si 探针，其探针尖端半径约为 5–20 nm，弹簧常数约为 40 N/m。图 4 展示了利用超高真空原子力显微镜（UHV-AFM）测得的无序 Si 表面、7×7 表面、单层自组装嵌入 Si 表面的 C84 以及 Si 表面的力-距离分析结果。

5. 通过分子动力学模拟测量纳米力学性能

注意：在模拟部分，使用 OVITO16（开源可视化软件）和 oSSD17（开放表面结构数据库）构建模拟模型并实现结果可视化。采用 LAMMPS14（一个开源的分子动力学（MD）模拟程序包）进行纳米压痕模拟并对模拟结果进行分析15。所有模拟任务均在国家高速网络与计算中心（NCHC）的先进大规模并行超级计算集群（ALPS）上通过并行计算完成。
注意：为了通过分子动力学（MD）模拟研究 C84 单层/Si 衬底异质结，需通过多个步骤构建模拟模型，以获得嵌入 Si 衬底的弛豫态 C84 单层结构。需要注意的是，由于 C84 单层与 Si (111) 衬底异质结之间的界面结构复杂，难以根据实验数据精确构建完全相同的结构。因此，我们采用一种人工方法，通过如图5所示的多步流程生成模拟模型。具体细节将在以下实验方案中详细描述。本文将介绍如何在 LAMMPS 中设置分子动力学模拟参数、构建嵌入衬底的弛豫态 C84 富勒烯单层、执行压痕过程以及分析模拟结果。

  1. LAMMPS 输入文件中的参数设置
    1. 使用边界命令在 x 和 y 方向上设置周期性边界条件。
    2. 使用“fix velocity”命令为体系中每个原子随机分配符合高斯分布的初始速度。
    3. 使用“fix pair_style”命令分配 Tersoff 势18 和 AIREBO19 分别用于描述Si-Si和Si-C相互作用以及C-C相互作用的势函数。
    4. 使用“fix nvt”和“fix npt”命令采用诺瑟-霍弗方法20 以确保系统保持在设定的温度和压力下，从而生成正则系综和等温等压系综20，其中系统采用速度-Verlet算法20 采用该方法预测原子的运动轨迹。使用“fix nvt”和“run”命令设置退火过程的冷却速率为3 K/ps。
    5. 使用“timestep”命令将时间步长设为0.2 fsec，用于时间积分。
    6. 使用“fix wall/reflect”命令采用反射壁以限制自由度（5.3.2）。
    7. 使用“region”和“group”将基底划分为不同的控制层（5.4.3）：牛顿原子层、热控层和底部固定层，分别通过“fix nve”、“fix nvt”和“fix setforce”命令进行设置。
    8. 使用“region”和“create_atoms”命令创建一个球形探针。
    9. 使用“fix move”命令将C84单层嵌入基底（5.4.2），并在模拟过程中移动探针（5.5.2）。
    10. 使用“run”命令执行分子动力学模拟。
    11. 使用“compute force”（5.6.1）和“compute stress/atom”（5.6.4）命令来计算原子应力和压痕力。
      注意：以下步骤中，除结构建立外，所有操作均由 LAMMPS 脚本完成。
  2. 使用 oSSD 和 OVITO 制备硅(111) 7 × 7 表面
    1. 打开 oSSD 软件。点击“搜索”按钮，弹出“搜索条件”面板。选择 Si 衬底、元素类型、重构结构、半导体电子、金刚石晶格、111 面和 7 × 7 衍射图样。点击“搜索”和“接受”按钮，弹出“结构列表”面板。选择所需结构（即，Si(111) 7 × 7。点击“File”按钮，将坐标文件保存为.xyz文件。
      注意：我们指出，从 oSSD 提取的结构数据库对于我们的压痕模拟而言规模尚不足够。因此，我们通过以下步骤重建一个更大且更厚的基底。
    2. 打开 OVITO 软件。将 .xyz 文件导入 OVITO。使用“Slice”命令截取尺寸为 26.878 × 46.554 Å 的 Si(111) 7 × 7 表面超晶胞2 在 x 和 y 方向上导出数据文件。使用“Slice”命令截取尺寸为 26.878 × 46.554 × 9.7 Å 的底部 Si(111) 衬底的超胞结构3使用“显示周期性图像”命令在 z 方向将超胞复制 12 次。导出数据文件。
    3. 合并 Si(111) 7 × 7 表面与 Si(111) 衬底模型的数据文件，使用 Notepad++（一款免费的源代码编辑器）完成。最后，将合并后的数据载入 OVITO。使用“显示周期性像”功能，在 x 和 y 方向分别复制 5 × 3 的超胞，以增大衬底尺寸。
    4. 使用 LAMMPS 对模拟模型进行 20 psec 的 MD 模拟以实现弛豫。随后，执行从 1,550 K 到室温的淬火过程，模拟时间为 500 psec。最后，进行 10 psec 的模拟时间以完成最终的弛豫过程。
  3. C的制备84 单层富勒烯
    1. 下载C优化结构的坐标文件84 富勒烯21 并编写一个 FORTRAN 程序以复制 49 C84 呈蜂窝状排列的富勒烯。
    2. 使用 LAMMPS 在碳层上方和下方设置反射壁84 单层以确保分子保持在同一平面上。进行200皮秒的分子动力学模拟以弛豫模拟模型。随后，执行从700 K到室温的淬火过程，模拟时间为500皮秒，以获得全局能量最低态。最后，进行10皮秒的模拟以完成最终弛豫过程。
  4. 建立C的压痕模型84 硅(111) 7×7 表面的富勒烯单分子层
    1. 编写一段 FORTRAN 代码以布置 C84 在 Si(111) 7×7 表面形成单层，距离为 3 Å，以建立压痕模型。
    2. 使用 LAMMPS 将 C 嵌入84 单层在基底上形成深度为2~3 Å的结构。随后，对体系进行40皮秒的模拟以实现系统弛豫。最后，将体系退火至室温。
    3. 将硅基底分为顶层牛顿原子层、热控制层和底层固定层，厚度分别为 0.7、2 和 5.3 nm。C84 单层膜也被建模为牛顿原子。
  5. MD 的压痕过程
    1. 使用 LAMMPS 构建一个直径为 5 nm 的球形探针，置于 C 上84/Si(111) 7 × 7 表面模式（图5）。将探针设置为刚体。在压痕过程中，指定探针以10 m/sec的恒定速度向下朝向样品移动。
    2. 以恒定速度将探针向下移动至样品，直至达到特定的加载深度（即， 包括1.5、2.5、4.5、10、15、20和30 Å的情况，以探究C的影响84 Si基底上的单层富勒烯，其中C的尺寸84 富勒烯直径为11 Å）在加载过程中。在保持过程中，将探针固定在基底上，使原子得以弛豫。最后，在回撤过程中以恒定速度将探针从基底中抽出。
  6. 计算与分析
    1. 根据以下公式，通过加总探针中原子的垂直方向受力来计算压痕力：
      静力平衡方程 Fz=Σfi,z，用于受力分析的数学公式。 (1)
    2. 从压痕力-距离曲线中提取了约化模量和刚度。基于Oliver和Pharr的方法22，可推导出杨氏模量与卸载刚度之间的线性关系。刚度（即，卸载曲线初始部分的斜率定义为
      静力平衡方程，S = dP/dh = β(2/√π)√(AEr)，应力分析公式。 (2)
      其中 P、h、A 和 Er 分别为压痕载荷、探针的弹性位移、压痕的投影面积和约化模量。β（对于圆形压头，β = 1）为形状修正因子。约化模量与杨氏模量之间的关系可表示为
      弹性模量方程；复合材料分析；材料科学公式探索 (3)
      其中 E 和 v 分别为试样的杨氏模量和泊松比 Ei 和 vi 是压头的杨氏模量和泊松比。
    3. 根据 H = 的定义计算硬度 P最大值/A，其中 P最大值 和 A 分别为最大压痕力和探针的投影面积。
    4. 计算维里原子应力22 在 m 基底平面中 n方向由
      应力张量公式 σ<sub>mn</sub>，统计力学方程，教学示意图 (4)
      其中 mi 是原子的质量 i; 平衡热力学公式 Vi^M，科学研究背景中的方程。 和 数学符号 \(v_i^n\)，在方程和计算中具有相关性。 是原子的速度分量 i 在 m- 和 n方向，分别； Vi 是分配给原子周围的体积 i; Ns 是区域 S 中所包含的粒子数量，其中 S 定义为原子相互作用区域； Φ(rij) 是势能函数； rij 是原子之间的距离 i 和 j，以及 变量Xij的上标M的数学表达式；科学计数法 和 显示变量 \(x\) 带下标 \(ij\) 和上标 \(n\) 的数学表达式，代数概念。 是 m- 和 n矢量的方向分量从原子 i 原子化 j.
    5. 使用 OVITO 根据以下公式显示每个原子的不变 von-Mises 应变：
      Von Mises 应力公式，方程，机械工程分析，结构强度评估。 (5)

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结果

在超高真空（UHV）腔室中，通过可控的自组装过程在无序的 Si(111) 表面上制备了单层 C84 分子。图1展示了利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）在不同覆盖率下测得的一系列形貌图像：(a) 0.01 ML，(b) 0.2 ML，(c) 0.7 ML，以及 (d) 0.9 ML。还采用多种表面分析技术（如 STM 和光致发光 PL）研究了嵌入 C84 的硅基底的电子和光学性质（图2）。所得样品优异的材料性能表明，纳米技术可用于在原子尺度和纳米尺度上实现对物质的精确调控。图3中的磁力显微镜（MFM）和超导量子干涉仪（SQUID）结果展示了嵌入 C84 的基底表面磁性。图4展示了超高真空原子力显微镜（UHV-AFM）的结果，反映了所提出基底的纳米力学特性。我们的实验结果表明，嵌入 C84 的硅基底在高温、高功率、高频率应用的纳米电子器件以及磁性器件和微机电系统（MEMS）器件中，具有替代半导体碳化物的潜力（见...

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讨论

本研究展示了一种通过新型退火工艺在硅基底上制备C84自组装单分子层的方法（图1）。该工艺也可用于制备其他类型的纳米颗粒嵌入式半导体基底。采用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）（图2）、场发射谱仪、光致发光光谱、磁力显微镜（MFM）和超导量子干涉仪（SQUID）（图3）对嵌入C84的硅基底进行了原子尺度表征。

利用原子力显微镜（AFM）可以测量嵌入C84的Si基底的黏附强度，该强度对应于其纳米力学性能（即应力）（图4）。我们的结果表明，所提出的嵌入C84的Si基底的硬度与SiC和Si表面相当，因此可作为切削工具的研磨材料以及微机电系统（MEMS）器件中的薄膜材料。

在模拟部分，冯·米塞斯应变（εvM）分析能够检测原子结构的局部变形，而这种变形在实...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢中国台湾科技事务主管部门对本研究提供的经费支持，合同编号分别为 MOST-102-2923-E-492-001-MY3（W. J. Lee）和 NSC-102-2112-M-005-003-MY3（M. S. Ho）。同时，衷心感谢中国台湾高性能计算中心为本研究提供大量计算资源所给予的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
硅片Si(111)。类型/掺杂剂：P/硼；电阻率：0.05–0.1 欧姆·厘米
碳，C84传奇之星C84 粉末，98%
盐酸Sigma-Aldrich84422RCA，37%
铵Choneye Pure ChemicalRCA，25%
过氧化氢Choneye 纯度化学品RCA，35%
氮尼尼空气高压气瓶，95%
钨Nilaco461327金属丝，直径 0.3 mm，尖端
氢氧化钠UCW85765蚀刻钨丝以制备尖端
丙酮Marcon Fine Chemicals99920适用于液相色谱和紫外分光光度法
甲醇马康精细化学品64837适用于液相色谱和紫外-可见分光光度法
UHV-SPM日本电子株式会社JSPM-4500A超高真空扫描隧道显微镜与超高真空原子力显微镜
电源基思利237高压源测量单元
SQUIDQuantum DesignMPMS-7磁场强度： ±7.0 特斯拉，温度范围：2–400 K，磁偶极范围：5 × 10-7 – 300 emu
ALPS中国台湾高性能计算中心高级大规模并行超级集群，177万亿次浮点运算每秒；25,600个CPU核心；73,728 GB内存；1,074 TB存储

参考文献

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使用扫描探针显微镜与分子动力学研究嵌入 C84 的硅基底
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