Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-28T12:30:00.000+00:00
Duration: 13 min 58 s
Description: 探索C84嵌入硅衬底异质结的制备与表征方法，利用扫描探针显微镜和分子动力学模拟分析其电子、光电及机械性能。该研究为纳米材料在电子器件中的应用提供了重要基础。

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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。

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
<ol>
	<li>制备洁净的Si(111)衬底
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>沉积 C84 在UHV系统中通过热蒸发法在硅表面成膜
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>嵌入 C84 通过自组装机制在硅表面形成的分子结构
	<ol>
		<li>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</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 含C84的硅基底电子性质的测量
<ol>
	<li>使用超高真空扫描隧道显微镜测量局域电子态密度
	<ol>
		<li>使用超高真空扫描探针显微镜测量特定原子的 I-V 曲线</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测量带隙能量
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>获取场发射（FE）特性
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>根据约 5 eV 的功函数计算 Fowler-Nordheim 场发射相关性，如图 2b所示。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光电特性
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 表面磁性的测量
<ol>
	<li>获取磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy）形貌图。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SQUID（超导量子干涉仪）测量
	<ol>
		<li>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</li>
		<li>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。</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>在大气条件下测量嵌入 C84 的 Si 衬底的刚度
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在超高真空（UHV）腔室中测量嵌入 C84 的 Si 衬底的刚度
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>LAMMPS 输入文件中的参数设置
	<ol>
		<li>使用边界命令在 x 和 y 方向上设置周期性边界条件。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用“timestep”命令将时间步长设为0.2 fsec，用于时间积分。</li>
		<li>使用“fix wall/reflect”命令采用反射壁以限制自由度（5.3.2）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用“region”和“create_atoms”命令创建一个球形探针。</li>
		<li>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）。</li>
		<li>使用“run”命令执行分子动力学模拟。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 oSSD 和 OVITO 制备硅(111) 7 × 7 表面
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>C的制备84 单层富勒烯
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>建立C的压痕模型84 硅(111) 7×7 表面的富勒烯单分子层
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>MD 的压痕过程
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>计算与分析
	<ol>
		<li>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： 
		<img alt="静力平衡方程 Fz=Σfi,z，用于受力分析的数学公式。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> (1)</li>
		<li>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 
		<img alt="静力平衡方程，S = dP/dh = β(2/√π)√(AEr)，应力分析公式。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> (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 
		<img alt="弹性模量方程；复合材料分析；材料科学公式探索" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> (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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>计算维里原子应力22 在 m 基底平面中 n方向由 
		<img alt="应力张量公式 σ&lt;sub&gt;mn&lt;/sub&gt;，统计力学方程，教学示意图" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> (4) 
		其中 mi 是原子的质量 i; <img alt="平衡热力学公式 Vi^M，科学研究背景中的方程。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq_vmi.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> 和 <img alt="数学符号 \(v_i^n\)，在方程和计算中具有相关性。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq_vni.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> 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 <img alt="变量Xij的上标M的数学表达式；科学计数法" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq_xmij.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> 和 <img alt="显示变量 \(x\) 带下标 \(ij\) 和上标 \(n\) 的数学表达式，代数概念。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq_xnij.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> 是 m- 和 n矢量的方向分量从原子 i 原子化 j.</li>
		<li>使用 OVITO 根据以下公式显示每个原子的不变 von-Mises 应变： 
		<img alt="Von Mises 应力公式，方程，机械工程分析，结构强度评估。" src="/files/ftp_upload/54235/54235eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程"> (5)</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>硅片</td><td></td><td></td><td>Si(111)。类型/掺杂剂：P/硼；电阻率：0.05–0.1 欧姆&amp;#183;厘米</td></tr><tr><td>碳，C&lt;sub&gt;84&lt;/sub&gt;</td><td>传奇之星</td><td></td><td>C&lt;sub&gt;84&lt;/sub&gt; 粉末，98%</td></tr><tr><td>盐酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>84422</td><td>RCA，37%</td></tr><tr><td>铵</td><td>Choneye Pure Chemical</td><td></td><td>RCA，25%</td></tr><tr><td>过氧化氢</td><td>Choneye 纯度化学品</td><td></td><td>RCA，35%</td></tr><tr><td>氮</td><td>尼尼空气</td><td></td><td>高压气瓶，95%</td></tr><tr><td>钨</td><td>Nilaco</td><td>461327</td><td>金属丝，直径 0.3 mm，尖端</td></tr><tr><td>氢氧化钠</td><td>UCW</td><td>85765</td><td>蚀刻钨丝以制备尖端</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Marcon Fine Chemicals</td><td>99920</td><td>适用于液相色谱和紫外分光光度法</td></tr><tr><td>甲醇</td><td>马康精细化学品</td><td>64837</td><td>适用于液相色谱和紫外-可见分光光度法</td></tr><tr><td>UHV-SPM</td><td>日本电子株式会社</td><td>JSPM-4500A</td><td>超高真空扫描隧道显微镜与超高真空原子力显微镜</td></tr><tr><td>电源</td><td>基思利</td><td>237</td><td>高压源测量单元</td></tr><tr><td>SQUID</td><td>Quantum Design</td><td>MPMS-7</td><td>磁场强度： &amp;plusmn;7.0 特斯拉，温度范围：2&amp;#8211;400 K，磁偶极范围：5&amp;nbsp;&amp;times;&amp;nbsp;10&lt;sup&gt;-7&lt;/sup&gt; &amp;#8211; 300 emu</td></tr><tr><td>ALPS</td><td>中国台湾高性能计算中心</td><td></td><td>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</td></tr></tbody></table>

使用扫描探针显微镜与分子动力学研究嵌入 c84 的硅基底

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

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。

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...

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。

使用扫描探针显微镜与分子动力学研究嵌入 C84 的硅基底

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阵列设计的硅基底。

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、磁性及场发射特性。我所研究的纳米材料正引领材料革命的发展趋势。借助一种精细探针显微镜，我们将能够充分且高分辨率地识别表面纳米结构的特征。通过分子动力学模拟，我们可以监测压痕过程中的类型、依赖性、原子级行为及力学行为。所有模拟均在国家高速网络与计算中心（NCHC）的超级集群 ALPS 上通过并行计算完成，所有实验工作均在中兴大学（NCHU）的纳米科学实验室完成。演示实验流程的人员为我团队中的 Che-Fu、Pei-Fang、Ya-Chi 和 Wei-Pin。首先，对硅111基底进行清洗处理，先使用溶剂清洗，然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。为在硅表面沉积C84，需通过加热灯丝使用外部电源将Castle蒸发器预热至500摄氏度，以促进杂质的脱气。接下来，将C84纳米颗粒装入Castle容器中。然后，将烧瓶电阻加热至650摄氏度，使C84纳米颗粒汽化。接着，在低于5×10⁻⁸帕斯卡的压力下，通过一个受控阀门，将C84纳米颗粒以直线蒸发，直至其撞击硅基底。随后，在超高压真空系统中将ALBA硅111基底预加热至900摄氏度，以获得1×1结构。将温度降至650摄氏度，持续30分钟，以在基底表面沉积C84纳米颗粒。在ALBA硅基底上于约750摄氏度下保持12小时，期间C84纳米颗粒粉末在硅111基底表面自组装形成高度均匀的富勒烯阵列。此时，将嵌有C84的硅基底置于扫描探针显微镜（SPM）样品台上。将样品从交换室转移至样品制备室。将样品台引入超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）扫描头系统，并将样品转移至观察室。随后，将施加的样品偏压从负五伏扫描至正五伏。接下来，点击电流-电压（IV）测量项，以原子分辨率测量嵌入硅基底中的C84分子的隧穿电流图像。在C84嵌入的硅基底上选择至少20个特定位置进行测量。为获得带隙能量，按照文本实验方案中所述方法，从指定的表面获取电流-电压（IV）曲线。随后，将嵌有C84的硅基底放置于场发射（FE）样品台上。将样品台插入场发射分析室中。然后，将分析室抽真空至约5×10⁻⁵帕斯卡的压力，以进行场发射测量。手动将施加在基底上的电压从100伏特逐步增加至1,100伏特。使用带有电流放大器的高压源测量单元，测量随施加电压变化的场致发射电流。然后，将测试用基底置于光学发射测量系统样品腔室的中心位置。然后，聚焦波长为325纳米的氦镉激光光源。设置好光谱仪后，通过收集和分析发射的光子来获取光致发光光谱。在进行磁力显微镜（MFM）测量之前，使用磁场强度约为2千奥斯特的磁铁对嵌入C84的硅基底样品进行磁化。将磁化后的样品置于MFM样品台上后，使用磁力显微镜（MFM）的抬升模式观察富勒烯在嵌入硅基底的磁畴中的微观结构，施加的磁化方向垂直于样品表面。随后，在进行SQUID实验前，通过施加磁场强度约为2千奥斯特的磁铁，对嵌入C84的硅基底样品以及在该基底上的C84团簇进行磁化处理。将磁化后的样品放入SQUID中。然后，在约2千奥斯特的范围内施加一个扫频磁场。在室温下通过SQUID测量获得磁化回路，该回路以磁化强度相对于外加磁场的形式绘制。为了测量嵌有C84的硅基底的刚度，首先将其中一个基底放置在原子力显微镜（AFM）的样品台上。接下来，从合适的硅基底上获取大气条件下的力测量数据。使用原子力显微镜（AFM）和超高真空（UHV）系统，按照先前所述方法从合适的硅基底上获取力测量数据。为准备硅基底，启动OSSD软件。单击搜索按钮以显示搜索条件面板。选择硅基底、元素类型、重构结构、半导体电子、金刚石晶格、111晶面以及7×7模式。然后单击搜索按钮和确认按钮，以显示结构列表面板。单击所需的硅111 7×7表面结构。然后，单击文件按钮，将坐标文件保存为xyz文件。接下来，启动Ovito软件，将xyz文件导入软件中，并使用切片命令截取适当尺寸的硅111 7×7表面结构的超晶胞，其在X和Y方向的尺寸为26.878 × 46.554 Å²。使用模拟单元命令调整单元在 X 和 Y 方向的尺寸，并将单元平移至原点位置。采用仿射变换，点击变换矩阵，沿法线方向将模型平移 5.714 angstroms。使用切片命令沿法线方向切除最底部的原子层。以LAMMPS格式导出数据文件。使用LAMMPS数据文件格式时，将定义晶胞边界。将LAMMPS格式的数据文件重新加载到Ovito中。使用“在周期性边界处包裹”命令来重新排列晶胞内部的结构。应用仿射变换，并点击变换矩阵，沿法线方向将模型平移 84.6 埃。使用“模拟晶胞”命令将晶胞在 Z 方向调整至 150 埃。以LAMMPS格式导出数据文件。将数据重新载入Ovito，使用“显示周期性图像”功能在X和Y方向上复制成一个5乘3的超胞，以增大衬底的尺寸。以LAMMPS格式导出数据文件。准备好适当尺寸的硅111超晶胞的配位文件后，将其加载到Ovito中。使用“显示周期性图像”功能，在X、Y和Z方向上分别复制成5×3×8的超晶胞，以增大衬底的尺寸。使用仿射变换并选择变换矩阵，将模型沿 Z 方向平移 37.6184 埃至原点位置。以 LAMMPS 格式导出数据文件。使用文本编辑器合并硅 111 七乘七表面模型与硅 111 衬底模型的数据文件。硅 111 七乘七衬底模型已准备就绪。为制备 C84 富勒烯单层，从网络下载 C84 富勒烯的坐标文件。使用自制程序复制七乘七排列的 C84 富勒烯，形成蜂窝状结构。接下来，使用自制程序将 C84 单层以三埃的距离铺设在硅 111 七乘七表面上。使用 load data 命令在 LAMMPS 脚本中加载模拟模型。然后，设置区域并使用 create atom 命令创建一个五纳米的球形探针。最后，准备用于压痕模拟的LAMMPS输入脚本，并计算详细的力学性能。通过可控的自组装工艺在非晶硅111表面制备了单层C84分子，此处展示了利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）在不同覆盖度下测得的一系列形貌图像。采用扫描隧道显微镜（STM）和光致发光分析技术研究了嵌入C84分子的硅基底的电子与光学特性。样品优异的材料性能表明，纳米技术可用于在原子和纳米尺度上实现对物质的控制。磁力显微镜（MFM）和超导量子干涉仪（SQUID）结果揭示了嵌入C84的基底表面磁性。超高真空原子力显微镜（UHV-AFM）结果表明，嵌入C84的硅基底在高温、高功率、高频应用的纳米电子器件中，具有替代半导体碳化物的潜力。此外还应用于磁性系统和微机电系统。此处展示了C84嵌入基底纳米压痕的分子动力学模拟过程。此处展示了富勒烯嵌入基底的力学性能。相应的快照随压入深度的变化情况可在此处查看。利用压入力随压入深度变化的结果，可计算C84单分子层的硬度、约化模量以及膨胀刚度。目前普遍认为，由于纳米材料在化学、物理和力学性能方面的层状结构单元特性，将在科学与技术领域带来可应用的发展前景。仅通过一层富勒烯，硅基底的性质即可发生显著改变。在本研究中，嵌入富勒烯的硅基底具有波浪状边缘、良好的燃料发射性能和高强度，且富勒烯本身具有磁性。我们相信，所提出的基底将在纳米技术的更广泛应用中表现出更优异的性能。观看本视频后，您应能够充分理解如何开展表面磁性的实验与模拟研究。这些综合技术的演示将为研究人员探索材料的基本性质提供重要途径。

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探测ç<sub&gt; 84</sub&gt; - 嵌入式硅衬底利用扫描探针显微镜和分子动力学

扫描探针单电子电容谱技术有助于研究局域亚表面区域中的单电子运动。通过将高灵敏度电荷检测电路集成到低温扫描探针显微镜中，可对半导体样品表面下方的小型掺杂原子体系进行研究。...

扫描探针单电子电容谱学

胶体探针纳米显微技术可用于多个领域，以深入了解胶体体系的物理稳定性和凝集动力学，并借助生物系统辅助药物发现与制剂科学研究。本文所述方法为研究此类体系提供了定性与定量的手段。...

利用胶体探针纳米显微技术对颗粒-颗粒相互作用进行定量与定性分析

本文介绍了一种将多种单分子共价偶联到原子力显微镜（AFM）探针尖端的实验方案，并提供了测定这些分子在固体载体及生物界面黏附力和自由能的步骤与实例。...

通过原子力谱学研究单分子粘附

我们通过实验者用手操控的运动捕捉系统和完全沉浸式虚拟现实眼镜，驱动扫描探针显微镜的针尖在三维空间中运动，实现了在金属表面上对单个有机分子的精确操控。...

通过带有三维虚拟现实界面的扫描探针显微镜实现单分子的手控操纵

我们提出了一种利用局部机械接触在超导薄膜中操控单个涡旋的实验方案。该方法无需施加电流、磁场或额外的制备步骤。...

利用局域接触调控涡旋的扫描SQUID研究

我们展示了一种全电子方法，利用扫描隧道显微镜观测硅中掺杂原子的纳秒级电荷动力学过程。...

全电子纳秒时间分辨扫描隧道显微术：推动单个掺杂原子电荷动力学研究

本文介绍了一种基于探针阵列迭代对准的广域扫描探针纳米光刻技术方案，以及利用光刻图案进行细胞表面相互作用研究的方法。...

大面积扫描探针纳米光刻技术通过自动对准实现及其在细胞培养研究用基底制备中的应用

本文介绍了一种在原子尺度上研究界面水结构与动力学的实验方案，内容包括亚分子分辨率成像、分子操纵以及单键振动光谱学。...

利用扫描隧道显微镜与谱学技术研究界面水的结构与动力学

本文介绍了一种利用静态和时间序列原子力显微镜（AFM）成像技术在单分子水平上表征核小体颗粒的实验方案。所述的表面功能化方法可实现对核小体结构及其动态行为在纳米尺度下的高分辨率捕捉。...

利用原子力显微镜成像研究核小体的结构与动力学

原子力显微镜（AFM）与扫描电化学显微镜（SECM）联用技术，即AFM-SECM，可用于在纳米尺度上同时获取材料表面的高分辨率形貌和电化学信息。此类信息对于理解纳米材料、电极和生物材料局部表面的异质性特性（如反应性、缺陷和反应位点）至关重要。...

利用原子力显微镜-扫描电化学显微镜联用技术（AFM-SECM）探究纳米材料表面电化学活性

具有纳米级分辨率的大规模样品检测具有广泛的应用，尤其适用于纳米制造的半导体晶圆。原子力显微镜可以成为实现此目的的有效工具，但其成像速度受到限制。本研究利用原子力显微镜中的并行主动悬臂阵列，实现高通量和大规模检测。...

采用四通道并行悬臂阵列的有源探针原子力显微镜用于高通量大规模样品检测

探索C84嵌入硅衬底异质结的制备与表征方法，利用扫描探针显微镜和分子动力学模拟分析其电子、光电及机械性能。该研究为纳米材料在电子器件中的应用提供了重要基础。

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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