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。
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本文内容
摘要
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
- 制备洁净的Si(111)衬底
- 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。
- 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）。
- 沉积 C84 在UHV系统中通过热蒸发法在硅表面成膜
- 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。
- 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....
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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
| 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-Aldrich | 84422 | RCA，37% |
| 铵 | Choneye Pure Chemical | RCA，25% | |
| 过氧化氢 | Choneye 纯度化学品 | RCA，35% | |
| 氮 | 尼尼空气 | 高压气瓶，95% | |
| 钨 | Nilaco | 461327 | 金属丝，直径 0.3 mm，尖端 |
| 氢氧化钠 | UCW | 85765 | 蚀刻钨丝以制备尖端 |
| 丙酮 | Marcon Fine Chemicals | 99920 | 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 |
| SQUID | Quantum Design | MPMS-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
- Kroto, H. W., Heath, J. R., O'Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
- Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
- Margadonna, S., et al.
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重印与许可
