探测ç 84 - 嵌入式硅衬底利用扫描探针显微镜和分子动力学

Summary

本文报道了通过纳米测量和分子动力学模拟检查和验证的富勒烯 Si 衬底的纳米材料制造。

Abstract

本文的阵列设计_Ç84 -嵌入式Si衬底捏造使用受控的自组装方法中的超高真空室的报告。的C- ₈₄的特性-嵌入式Si表面，如原子分辨率地形，态本地电子密度，带隙能量，场发射性能，纳米机械刚度，以及表面磁性，使用各种表面分析技术下超进行了检查，在高真空（UHV）条件下，以及在一个大气压的系统。实验结果表明的C- ₈₄的高度均匀性-嵌入式Si表面捏造使用受控的自组装纳米机制，表示场发射显示器（FED），光电器件制造，微机电系统的应用的一个重要发展切削工具，并在努力找到硬质合金半导体合适的替代者。分子动力学（MD）方法，半经验潜力b用于研究的_ç84纳米压痕ê -嵌入式硅衬底。执行MD模拟详细描述这里提出。对MD模拟的力学分析，如压痕力，杨氏模量，表面硬度，原子应力，应变原子的综合研究的细节都包括在内。压痕模型的基本应力和冯·米塞斯应变分布可以计算出监测与原子级别时间评估变形机制。

Introduction

富勒烯分子和它们包含有纳米材料之间独特的，由于其优异的结构特点，电子传导性，机械强度，化学性能^1-4复合材料。这些材料已被证明在一个范围内的领域，如电子，电脑，燃料电池技术，太阳能电池，以及场致发射技术^5,6非常有益的。

在这些材料中，碳化硅（SiC）纳米粒子的复合材料已经受到了特别的关注由于它们的宽带隙，高导热性和稳定性，高电击穿能力，和化学惰性。这些好处是在光电器件特别明显，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），发光二极管（LED），和高功率，高频率，和高温应用。然而，高密度的缺陷通常conventi的表面上观察到的Onal地区碳化硅可以对电子结构的不利影响，甚至导致器件失效^7,8。尽管碳化硅的应用程序已自1960年以来研究的事实，这个特殊的未解决的问题仍然存在。

本研究的目的是一个C ₈₄的制造-嵌入式Si衬底异质结和随后的分析，得到所得到的材料的电子，光电，机械，磁性，和场发射性能的全面理解。我们还讨论通过数值模拟来预测纳米材料的特性，通过分子动力学计算得到新的应用的问题。

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Protocol

注:本文概述在一个半导体衬底的表面上的自组装富勒烯阵列的形成中使用的方法。具体地讲，我们提出了用作微电子机械系统（MEMS），以及在高温，高功率光电器件，应用的场致发射体或基底富勒烯嵌入硅衬底的制备的新方法，以及在高-频率器件^9-13。

在Si衬底1的制作六角形封闭封装（HCP）加铺结构_Ç84

1. 准备清洁的Si（111）基板
   1. 主体的Si衬底的RCA清洗（美国无线电公司），涉及随后加热在超高真空系统中除去从基板的表面上的氧化物层和杂质的溶剂的应用（见辅助材料）。
      注意:在这里，术语"UHV-超高真空系统"是指到低于1×10的真空^-8帕中的Si（111）的制备中使用。
2. 存款_ç84硅表面以特高压系统使用热蒸发
   1. 通过加热丝至500℃的预加热用外部电源的K细胞蒸发器，以促进杂质的放气。
   2. 载荷C ₈₄纳米到K-电池容器。电阻加热的K细胞至650℃。汽化_ç84纳米粒子为C ₈₄纳米粒子在容器组成蒸汽。蒸发下在直线₈₄纳米至纳米颗粒通过一个控制阀在低于5×10 ^-8帕压力取得一个Si衬底。
3. 嵌入_Ç84通过自组装机理Si表面分子内<....

Results

_Ç84分子的无序的Si（111）面A单层使用受控的自组装过程中一个超高真空腔室制造图1示出了一系列通过UHV-STM不同程度的覆盖率的测量地形图像:（一） 0.01毫升，（b）0.2毫升，（C）0.7毫升，和（d）0.9毫升。的C ₈₄嵌入Si衬底的电子和光学性质使用各种表面分析技术，如STM和PL（ 图2）还研究。得到的样品的优异材料性质证明纳米技术可以如何用于物质在atomic-和纳米尺度上的控制。 图3中的MFM和SQUID结果表明_Ç84嵌入基片的表面的磁性。 图4给出了参考提出衬底的纳米机械的UHV-AFM结果。我们的实验结果表明，中C ₈₄的潜力图4中）。

在模拟部分，所有的程序都用LAMMPS进行MD模拟完成。富勒烯埋置基板的机械性能（压痕力和接触应力）的计算，

Discussion

在这项研究中，我们证明_Ç84的Si衬底上的自组装单层的通过新颖的退火工艺的制造（ 图1）。这个方法也可以用于制备其它种类的纳米颗粒的嵌埋半导体基板。的C ₈₄ -嵌入式Si衬底，其特征在用UHV-STM（ 图2），场发射光谱仪，光致发光光谱，MFM和SQUID（ 图3）的原子比例。

对应的C- ₈₄纳米力学性能（ 即 ，应力）的附着强度-嵌入式Si衬底可以用原子力显微镜（ 图4）来测量。我们的结果表明，该_Ç84的硬度-嵌入式Si衬底比得上碳化硅和硅的表面，使之适用作为用于切削工具，以及在MEMS器件的薄膜研磨材料。

jove_content">在模拟部分中，冯米塞斯应变_（εVM）分析能够探测原子结构，这是在实验中观察到非常困难的局部变形。但是，这是不可能表征相变。这里，我们提出了.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
硅片			Si（111）。类型/掺杂剂：P/硼;电阻率：0.05-0.1 Ohm·cm
碳、C84	Legend Star		C84粉末、98%
盐酸	Sigma-Aldrich	84422	RCA、37%
铵	Choneye 纯化学		RCA、25%
过氧化氢	Choneye 纯化学		RCA、35%
氮气	Ni Ni 空气		高压瓶， 95%
镍	钛	461327	丝， 直径 0.3 mm， 尖端
氢氧化钠	UCW	85765	蚀刻 尖端钨丝
丙酮	Marcon Fine Chemicals	99920	适用于液相色谱法和紫外分光光度法
甲醇	Marcon Fine Chemicals	64837	适用于液相色谱法和紫外分光光度法
UHV-SPM	JEOL LTD	JSPM-4500A	超高真空扫描隧道显微镜和超高真空原子力显微镜
电源	Keithley	237	高压源测量单元
SQUID	量子设计	MPMS-7	磁场强度： ±7.0 特斯拉，温度范围：2–400 K，磁偶极子范围：5 & 次; 10-7 –300 EMU
ALPS	国家高性能计算		台湾高级大规模并行超级集群，177Tflops;25600 个 CPU 内核;73728 GB RAM;1,074 TB 存储