Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Зондирование C Published: September 28, 2016 doi: 10.3791/54235
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 3
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

Abstract

В данной работе сообщается массив разработанный C 84 -вложено кремниевой подложки , изготовленных с использованием контролируемого метода самосборки в сверхвысоком вакуумной камере. Характеристики С 84 -вложено поверхности Si, например с атомным разрешением рельефа, локальной электронной плотности состояний, полосы энергетической щели, эмиссионные свойства поля, наномеханического жесткости и поверхностного магнетизма, были изучены с использованием различных методов анализа поверхности под ультра, высокий вакуум (СВВ) условий, а также в атмосферной системе. Экспериментальные результаты демонстрируют высокую однородность С 84 -вложено Si поверхности изготовлены с использованием контролируемого механизма самосборки нанотехнологической, представляет собой важное событие в области применения дисплея полевой эмиссии (FED), изготовление оптико - электронных устройств, МЭМС режущих инструментов, а также в усилиях чтобы найти подходящую замену для твердосплавных полупроводников. Метод молекулярной динамики (МД) с полуэмпирическом потенциалом можно бе используется для изучения наноиндентирование С 84 -вложено кремниевой подложки. Подробное описание для выполнения МД моделирования представлена ​​здесь. Детали для всестороннего изучения на механическом анализе МД моделирования, такие как отступа силы, модуль Юнга, поверхностная жесткость, атомно-стресс и атомной деформации включены. Атомные напряжений и деформаций фон-Мизеса распределения модели отступа можно рассчитать, чтобы контролировать механизм деформации с оценкой времени в атомистической уровне.

Introduction

Молекулы фуллеренов и композиционные материалы , которые они содержат являются отличительными среди наноматериалов из - за их превосходных структурных характеристик, электронная проводимость, механическая прочность, и химические свойства 1-4. Эти материалы оказались весьма полезными в самых разных областях, таких как электроника, компьютеры, технологии топливных элементов, солнечных батарей и технологии излучения поля 5,6.

Среди этих материалов, карбид кремния (SiC) с наночастицами композиты Особое внимание было уделено благодаря их широкой запрещенной зоной, высокой теплопроводностью и стабильностью, высокой электрической способности пробоя и химической инертности. Эти преимущества особенно очевидны в оптико-электронных приборов, металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов (MOSFET), светоизлучающие диоды (СИД) и высокой мощности, высокочастотные, и высокотемпературных применений. Тем не менее, дефекты высокой плотности обычно наблюдаются на поверхности CONVENTIнальная карбид кремния может оказывать вредное воздействие на электронную структуру, даже приводя к отказу 7,8 устройства. Несмотря на то, что применение карбида кремния было изучено с 1960 года, эта конкретная нерешенной проблема остается.

Целью данного исследования было изготовление из C 84 -вложено гетеропереход подложки Si и последующий анализ , чтобы получить полное представление электронных, оптико - электронных, механических, магнитных и полевых эмиссионных свойств полученных материалов. Мы также рассмотрели вопрос использования численного моделирования для прогнозирования характеристик наноматериалов, с помощью нового применения расчетов молекулярной динамики.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: В этом документе описываются методы, используемые при формировании самоорганизующейся фуллерена массива на поверхности полупроводниковой подложки. В частности, мы представляем новый способ получения кремниевой подложки фуллерена встраиваемый для использования в качестве полевого эмиттера или подложки в микроэлектромеханических системах (МЭМС) и оптико-электронных приборов в условиях высокой температуры, высокой мощности, приложений, а также в высокой -Частота устройства. 9-13

1. Изготовление шестигранной замкнутому упакована (HCP) оверлейного из C 84 на подложке Si

  1. Подготовьте Clean Si (111) подложке
    1. С учетом Si подложки для RCA (Radio Corporation Америки) очистки, предусматривающему применение растворителя с последующим нагреванием в сверхвысоком вакуумной системой для удаления оксидного слоя и примесей с поверхности подложки (см вспомогательный материал).
      Примечание: В данном описании термин "СВВ-сверхвысокий вакуум система" относитсяв вакууме ниже 1 × 10 -8 Па используется в приготовлении Si (111).
  2. Депозит C 84 на поверхности кремния с помощью термического испарения в системе СВВ
    1. Предварительно нагреть испаритель K-ячейки с внешним источником питания через нагревательных нитей до 500 ° C для содействия дегазацию примесей.
    2. Нагрузка C 84 наночастицы в контейнер К-клеток. Резистивно нагревать K-клеток до 650 ° С. Vaporize C 84 наночастицы в качестве C 84 наночастицы в контейнере составляют пары. Упаривают C 84 наночастицы в прямых до наночастиц не нанести кремниевой подложки через управляемый клапан при давлении ниже 5 × 10 -8 Па.
  3. Код C 84 молекул внутри Si поверхность через самосборка механизма
    1. Предварительно отжигать Si (111) подложки в сверхвысоком вакуумной системы при 900 ° С для получения (1х1) структуры. Снизить температуру до 650 ° С в течение 30 мин для Deposition наночастиц на поверхности подложки С 84.
    2. Отжигать кремниевой подложки при ~ 750 ° С в течение 12 ч, в течение которых порошкообразный-С 84 наночастиц самосборке в высокой степени однородные массива фуллерена на поверхности (111) кремниевой подложки.
      Примечание: В данном описании термин "чрезвычайно однородным фуллерен массив" относится к равномерному распределению фуллерена на подложке, в котором большая часть наночастиц ориентированы в компактном расположении перпендикулярно к поверхности подложки. Эта конфигурация помогает обеспечить, чтобы вертикальная высота массива фуллерена была по существу одинаковы во всех образцах.

2. Измерения электронных свойств C 84 -вложено Si Субстрат

  1. Мера локальной плотности электронных состояний с помощью СВВ-сканирующей туннельной микроскопии
    1. Мера IV кривые конкретных атомов с использованием СВВ-SPM
    2. Место C 84
    3. Нажмите на "IV" пункта измерения для измерения туннельного тока I с атомным разрешением. Выберите по крайней мере 20 конкретных местах на подложке -вложено C 84 Si для измерений. Вычислить среднее значение туннельного тока I более 20 конкретных местах. Выведите I в зависимости от напряжения. Участок IV кривые.
    4. Вычислить производную I (V) относительно V. Преобразование кривых IV Д.И. / дУ в зависимости от напряжения с целью определения локального электронного состояния C 84 -вложено кремниевой подложки.
  2. Мера ширины запрещенной зоны энергии
    1. Получают кривые IV в соответствии с процедурами , изложенными в пункте 2.1.2 и 2.1.3 из следующего: Si (111) поверхности -7x7, Si (111) -1x1 поверхности, один человек C 84 наночастицы на Si, 7-19 C 84кластеров на Si, 20-50 C 84 кластеров на Si и монослой C 84 встраивается в поверхности Si.
    2. Вычислить производную I (V) относительно V. Преобразование кривых IV в DI / кривых Д. для измерения разности энергии HOMO-LUMO (называемые зоны энергетической щели) в каждом месте измерения, как показано на рисунке 2а.
  3. Получение поля излучения (FE) Свойства
    1. Место C 84 -вложено кремниевой подложки на держателе образца FE. Вставьте держатель в камере анализа FE. Вакуумирование камеры до давления около 5 х 10 -5 Па для измерения FE.
      Примечание: -вложено подложки кремния С 84 функционирует в качестве катода и медного зонда с площадью поперечного сечения ~ 0,71 мм 2 функционировали в качестве анода. Расстояние между катодом и анодом было приблизительно 590 мкм.
    2. Увеличение приложенного напряжения вручную на подложку от 100 В до 1100 В. Измерьте соответИНГ эмиссионного тока в зависимости от приложенного напряжения с использованием единицы измерения источника высокого напряжения с усилителем тока.
    3. Вычислить корреляцию с полевой эмиссией Фаулера-Нордгейма в соответствии с функцией работы ~ 5 эВ , как показано на рисунке 2b.
    4. Получить коэффициент геометрического усиления поля (Q) следующим образом: F (поле) = β (V / d) со значением бета приблизительно 4383.
    5. Получить электрическое поле пробоя в вакууме , основанный на склоне натурального логарифма (Дж / E 2) Vs (1 / E), который дал нам величину ~ 4,0 х 10 6 В / см в течение 84 С -вложено кремниевой подложки как показано на фиг.2с.
  4. оптоэлектронные свойства
    1. Передача тестирования подложки оптической системы измерения количества выбросов. Фокус лазерный источник He-Cd-с 325 нм эмиссии на подложке, расположенной в центре образца отсека. Настройка спектрометра в подходящем положении. Используйте спеctrometer приобрести спектр фотолюминесценции путем сбора и анализа излучающие фотоны. Оптико - электронный результат показан на рисунке 2d.

3. Измерения поверхностного магнетизма

  1. Получение MFM (магнитная силовая микроскопия) топография.
    1. Намагнитить образцы C 84 -вложено Si до измерений MFM путем применения магнита с напряженностью поля около 2 кЭ.
    2. Поместите образец на намагниченные в стадии образца MFM. Нажмите на кнопку "Получить" MFM топографию пункта. Обратите внимание на микроструктуру фуллерена в магнитном домене, заложенным в кремниевой подложке с использованием MFM в режиме подъема с применением намагниченности, перпендикулярной к поверхности образца.
    3. Использование наноразмерных PPP-MFMR кантилевера для измерения MFM (рис 3а). Определить поверхности магнетизм, если MFM топография выглядит темнее (светлее), когда магнитный момент наконечник находится в Сэмее (противоположное) направление момента основания.
  2. СКВИД (сверхпроводящий квантовой интерференции устройств) Измерение
    1. Приготовьте монослой C 84 -вложено подложки Si и C 84 кластеров на C 84 встроенной кремниевой подложке.
    2. Намагнитить образцы C 84 -вложено Si и C 84 кластеров на C 84 встроенных кремниевую подложку до SQUID экспериментов с применением магнита с напряженностью поля около 2 кЭ.
    3. Поместите образец в SQUID. Применение подметания магнитного поля в диапазоне ~ 2 кЭ. Получить петли намагничивания строили графики зависимости от внешнего магнитного поля при измерениях SQUID при комнатной температуре.
      Примечание: Типичная кривая МН для ферромагнитного материала , может быть получено , как показано на рисунке 3b.

4. Измерение наномеханическим свойств по атомно-силовой микроскопии

Примечание: атомно-силовой микроскопии (AFM) обеспечиваетмощный инструмент для определения характеристик материалов и механических свойств на микро- и нано-масштабах в воздухе, а также в среде СВВ

  1. Мера Жесткость C 84 встроенных Si подложки под атмосферных условиях
    1. Поместите субстрат на каскад АФМ образца. Перетащите острый кончик над подложках с помощью сканера. Мониторинг перемещения наконечника в качестве меры сил взаимодействия зонд-образец. Запись движения на многих зонд-образец расстояния вдоль вертикального направления в определенном положении, нажав на "измерение силы" деталь.
    2. Получить измерения силы с помощью AFM в атмосферных условиях от RCA очищенную подложку Si с 2-3 нм слой природного оксида, а также из C 84 -вложено кремниевой подложки и кремниевой подложки , покрытой тонкой пленкой карбида кремния.
    3. Использование ПО AFM, построения кривых силы расстояния при атмосферных условиях.
      Примечание: Консольная AFM был зонд Si с радиусом наконечника~ 5-20 нм и весной константа ~ 40 Н / м.
  2. Мера Жесткость C 84 Embedded Si подложке в СВВ палате
    1. Получить измерения силы в соответствии с руководством 4.1.1 с помощью AFM в системе СВВ из RCA очищенную кремниевой подложки, чистый Si (111) -7x7 поверхность, C 84 -вложено Si подложки, подложку и кремниевой подложки с покрытием с тонкой пленкой карбида кремния.
    2. Постройте кривые силы расстояния в системе СВВ. Примечание:. Кантилевера AFM был зонд Si с радиусом наконечника ~ 5-20 нм и жесткости пружины ~ 40 Н / м Рисунок 4 представляет собой анализ силы расстояния от неупорядоченной поверхности Si, 7 х 7 поверхность, холостая само- собранный слой C 84 встроены в поверхности Si и Si поверхности, как определено с использованием СВВ-AFM.

5. Измерение свойств наномеханическим М.Д. Моделирование

Примечание: В разделе моделирования, OVITO 16 ( с открытым исходным кодом visualizatiна программное обеспечение) и, OSSD 17 (открытая поверхность структура базы данных) используются для создания имитационной модели и результаты визуализации. LAMMPS 14 (с открытым исходным кодом молекулярной динамики (МД) моделирования пакета) используется для выполнения моделирования наноиндентирование и анализировать результаты моделирования 15. Все задания моделирования выполняются с параллельных вычислений в расширенном Крупномасштабное Параллельный сверхскоплении (ALPS) из NCHC.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для изучения C 84 однослойной / Si подложки гетеропереход с помощью МД моделирования, следует подготовить имитационную модель на несколько шагов , чтобы получить оптимальное сочетание C 84 монослой встроенный в подложку Si. Обратите внимание , что трудно сформировать точно такую же структуру из экспериментальных данных, из-за комплекса среди структуры между C 84 монослой и Si (111) подложки гетероперехода. В результате, мы используем искусственный способ для создания имитационной модели с несколькими шагами процедуры,которая показана на рисунке 5. Подробности описаны в следующих протоколах. Мы опишем , как настроить параметр MD в LAMMPS, создать непринужденную C 84 фуллерена монослой встроенный в подложку, выполняют процедуру отступов, а также анализировать результаты моделирования.

  1. Настройка параметров в LAMMPS входного файла
    1. Используйте граничный команду, чтобы установить периодические граничные условия в Х- и Y-направления.
    2. Используйте команду "скорость исправить", чтобы назначить начальную скорость с гауссовым распределением на каждом атоме системы, случайным образом.
    3. Используйте "исправить" pair_style команду , чтобы назначить Tersoff 18 и AIREBO 19 потенциалов для описания взаимодействия Si-Si и Si-C и взаимодействие CC, соответственно.
    4. Используйте "исправить NVT" и "исправить" команду NPT принять метод носового Hoover 20 , чтобы обеспечить система остается при заданной температуре и давлении до генаоценить каноническую и изотермического-изобарическая ансамбль 20, в котором система алгоритм скорости-Верле 20 , используемый для прогнозирования траектории атомов. Используйте оба "исправить NVT" и "Выполнить" команду для установки скорости охлаждения 3 К / псек для процесса отжига.
    5. Используйте команду "Timestep", чтобы установить временной шаг 0.2 в качестве ФКЦБ интегрирования по времени.
    6. Используйте "исправить стены / отразить" команду принять отражающую стенку, чтобы ограничить степень свободы (5.3.2).
    7. Используйте "регион" и "группу", чтобы разделить подложку на разные слои управления (5.4.3): ньютонов атом слой, слой терморегулятор, и нижний неподвижный слой, который можно настроить с помощью "Fix NVE", " исправить NVT ", и" исправить команды setforce ", соответственно.
    8. Используйте "регион" и "create_atoms" команды для создания сферического зонда.
    9. Используйте команду "исправить ход", чтобы встроить монослой C84 в подложку (5.4.2) и переместить зонд во время моделирования (5.5.2).
    10. Используйте команду "Выполнить" для выполнения МД моделирования.
    11. Используйте "вычислительную силу" (5.6.1) и "вычислить напряжение / атом" (5.6.4) команды для оценки атомного напряжения и силы вдавливания.
      Примечание: В дальнейшем, за исключением структуры установления, все шаги были сделаны LAMMPS сценария.
  2. Используйте OSSD и OVITO для подготовки кремния (111) 7 × 7 поверхности.
    1. Включите программное обеспечение OSSD. Нажмите на кнопку "Поиск". "Критерии поиска" панель представлена. Выбрал кремниевой подложки, элементарный тип, реконструированный структуру, полупроводниковый Елец, решетки алмаза, 111 лицо и 7 х 7 шаблон. Нажмите на кнопку "Поиск" и "Принять" кнопки. "Список Структура" панель представлена. Нажмите нужную структуру (т.е. Si (111) 7 х 7). Нажмите кнопку "Файл". Сохраните файл в качестве координационного .xyz файла.
      Примечание: Отметим, что структурныйбаза данных извлекается из OSSD недостаточно велика для нашего отступа моделирования. В результате, мы перестраивать больше и толще субстрата с помощью следующих стадий.
    2. Включите программное обеспечение OVITO. Загрузите файл .xyz в OVITO. Используйте команду "Slice" , чтобы захватить суперячейки Si (111) 7 × 7 поверхности с размером 26.878 х 46,554 Å 2 в х и у направлении. Экспорт файла данных. Используйте команду "Slice" , чтобы захватить сверхочаговой дна Si (111) подложки с размером 26.878 х 46.554 х 9,7 Å 3. Используйте команду "Показать периодические изображения", чтобы дублировать суперъячейки 12 раз в направлении г. Экспорт файла данных.
    3. Объединить файлы данных из Si (111) 7 × 7 поверхность и Si (111) модели подложки с помощью Notepad ++ (бесплатный редактор исходного кода). И, наконец, загрузить объединенные данные в OVITO. Используйте "Показать периодические изображения", чтобы дублировать сверхочаговой 5 х 3 х и у направлениях, чтобы увеличить размер подложки.
    4. Используйте LAMMPS для выполнения 20 мксекMD время моделирования для отдыха имитационной модели. В дальнейшем, выполнить процесс резкого охлаждения от 1,550 K до комнатной температуры в течение 500 мксек времени моделирования. И, наконец, выполнить моделирования времени 10 пс для процесса окончательной релаксации.
  3. Получение C 84 фуллерен однослойная
    1. Загрузить файл координации оптимизированной структуры C 84 фуллерена из Интернета 21 и написать программу FORTRAN тиражировать 49 C 84 фуллерены , расположенных в сотовой структуре.
    2. Используйте LAMMPS для настройки отражения стен на и ниже C 84 монослой , чтобы гарантировать , что молекулы остаются на план. Выполните время MD для моделирования 200 мксек расслабить имитационной модели. В дальнейшем, выполнить процесс резкого охлаждения от 700 К до комнатной температуры, чтобы получить Глоб минимальное состояние на 500 мксек времени моделирования. И, наконец, выполнить время моделирования 10 псек для окончательного процесса релаксации.
  4. Установите Indentaция Модель C 84 фуллерена монослоя на кремнии (111) 7 × 7 поверхности.
    1. Написать код FORTRAN закладывать C 84 монослой на поверхности Si (111) 7 × 7 поверхность с расстояния 3 Å установить модель отступа.
    2. Используйте LAMMPS для встраивания C 84 монослой в подложку с глубиной 2 ~ 3 Å. В дальнейшем запустить время моделирования 40 псек для релаксации системы. И, наконец, прокалить системы до комнатной температуры.
    3. Разделить кремниевую подложку на верхнюю ньютоновской атома слой, слой терморегулирующего и нижний фиксированный слой, который составляют 0,7, 2 и 5,3 нм в толщину, соответственно. В C 84 монослоев были также смоделированы как ньютоновской атома.
  5. Отступ Процесс MD
    1. Используйте LAMMPS для создания сферического зонда с 5nm диаметром от 84 / Si режим поверхности С (111) 7 × 7 (рисунок 5). Зонд устанавливается как твердое тело. Укажите постоянную скорость 10 м / сек на прОБЕ двигаться вниз в направлении образца в процессе вдавливания.
    2. Передвигайте зонд вниз к образцу с постоянной скоростью до глубины конкретной нагрузки (то есть, в том числе случаев , 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20, и 30 Å , с тем, чтобы исследовать влияние фуллерены монослоя C 84 на кремниевой подложке, где размер C 84 фуллерен 11 Å) в процессе загрузки. Удерживая зонд в подложке в процессе выдержки, чтобы обеспечить релаксации атомов. И, наконец, извлечь зонд от подложки с постоянной скоростью в процессе обратного хода.
  6. Расчет и анализ
    1. Вычислить силу вдавливания путем суммирования вертикальной силы атомов в зонде в соответствии со следующими формулами:
      Уравнение (1)
    2. Извлеченные приведенный модуль и жесткость от силы расстояния кривой вдавливания. Основанный на Оливера и Фарра & #39; s метод 22, линейная зависимость может быть получена между модулем Юнга и жесткость разгрузки. Жесткость (то есть, наклон начальной части) кривой разгрузки определяется как
      Уравнение (2)
      где Р, Н, А и Е г являются отступы нагрузки, упругое смещение зонда, площадь проекции отпечатка, и приведенный модуль. β (= 1 для круговой индентора) является фактором изменения формы. Связь между приведенным модулем и модулем Юнга можно записать в виде
      Уравнение (3)
      где Е и v являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона для образца и E I и V I являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона для индентора.
    3. Рассчитывают твердость по определению H = P мах / А, где Р макс и А максимальная сила вдавливания и площадь проекции зонда.
    4. Вычислить вириальную атомное напряжение 22 на м плоскости подложки в п -направлении путем
      Уравнение (4)
      где т я масса атома I; Уравнение а также Уравнение компоненты скорости атома я в м - и п -направлений соответственно; V я есть объем вокруг атома назначен я, N s есть число частиц , содержащихся в области S, где S определяется как область взаимодействия атомов ; Φ (г IJ) является потенциальная функция; г IJ расстояние между атомами и я а также Уравнение являются м - и п -направлении компоненты вектора от атома к атому я J.
    5. Используйте OVITO, чтобы показать деформацию фон-Мизеса каждого атома инварианта в соответствии со следующими формулами:
      Уравнение (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Монослой C 84 молекул на неупорядоченной поверхности Si (111) был изготовлен с использованием процесса управляемой самосборки в камере СВВ На рисунке 1 показан ряд топографических изображений , измеренных с помощью СВВ-СТМ с различной степенью охвата:. (А) 0,01 мл, (б) 0,2 мл, (в) 0,7 мл, и (г) 0,9 мл. Электронные и оптические свойства C 84 внедренного кремниевой подложки были также исследованы с использованием различных методов анализа поверхности, таких как STM и PL (рисунок 2). Превосходные свойства материала полученных образцов показывают, как нанотехнологии могут быть использованы для контроля вещества на атомно- и нано-масштабах. В MFM и SQUID результаты на рисунке 3 показывают поверхностный магнетизм C 84 встроенной подложки. На рисунке 4 представлены результаты СВВ-AFM , которые относятся к наномеханики предлагаемого субстрата. Наши экспериментальные результаты демонстрируют потенциал C 84 рисунке 4).

В разделе моделирования, все процедуры будут завершены с помощью LAMMPS для выполнения МД. Механические свойства (отступы силы и контактных напряжений) фуллерена встроенной подложки рассчитывается и показано на рисунке 6. Анализ деформации фон Мизеса-атомов на другом временном шаге используются для характеристики местной деформации. Соответствующие моментальные снимки в зависимости от глубины вдавливания можно увидеть во вставках, показанном на фиг.6, которые были рассчитаны и визуализированных с помощью OVITO. Результаты отступа силы в зависимости от глубины вдавливания используются для расчета твердости H (рис 7а), приведенный модуль Е <к югу> г (рис 7b), и нагрузка жесткости S (рис 8) C 84 монослой. Результаты можно сравнить с, что определяется экспериментом и обеспечивает более подробную точку зрения интерпретировать изменение механических свойств.

Рисунок 1
Рисунок 1: C 84 Embedded кремниевую подложку с различным покрытием серии СТМ - топографических изображений (40 х 40 нм 2) , показывающий C 84 молекулы , адсорбированные на поверхности Si (111) при отрицательном смещении образца 2 V, как измерено СВВ-СТМ. с различной степенью охвата: (а) 0,01 ML, (б) 0,2 мл, (с) 0,7 ML, и (d) 0,9 ML.

фигура 2
Рисунок 2: Электронные свойства измерения на C 84 Embedded кремниевой подложки (а) IV кривые и дифференциальной производной проводимости (dì / Dv) против кривой напряжения одного самоорганизующейся слоя C 84, как определено СВВ-СТМ. ; (Б) излучение поля плотности тока от кривой электрического поля; (С) Соответствующий FN участок поверхности со встроенным C 84, как измерено с использованием блока источника измерения; (D) спектр фотолюминесценции одного самоорганизующейся слоя C 84. Повторная печать с разрешения справки 12. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3: Поверхностный магнетизм на C 84 Embedded подложки Si (а) MFM изображение Si подложке с встроенной C 84. (Б) петля Намагниченность заговор против внешнего магнитного поля Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4: наномеханическим исследование на C 84 Embedded кремниевую подложку Силе расстояние анализ неупорядоченного поверхности Si, 7 х 7 поверхность, одиночный самоорганизующихся слой C 84 встроены в поверхности Si и поверхности Si, как определено с использованием СВВ-AFM.. Повторная печать с разрешения справки 11. Пожалуйста , нажмите здесьдля просмотра увеличенной версии этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5: Блок - схема для создания имитационной модели Драматическая иллюстрируют настройку в МД моделирования из одного слоя C 84 и Si (111) 7 × 7 поверхности к C 84 монослой встраивать в Si (111) 7 х 7 модели.. Процедуры детализации можно увидеть в разделе 5 протокола. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6: вдавливание силы и контактных напряжений анализ Indentation силы (черный) и контактное напряжение (синий) из C 84 в зависимости от глубины вдавливания.. Вставкипоказать соответствующие снимки, где разные цвета указывает на соответствующую Мизеса напряжения (e VM) всех атомов. Чтобы очистить отображение локализации деформации, только атомы с е> 0,08 Уц показаны на снимке. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7:.. Твердость и уменьшенный анализ модуля (а) Твердость и (б) уменьшение вариации модуля в зависимости от глубины вдавливания для C 84 монослоя на поверхности Si Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.


Рисунок 8: Анализ жесткости Загрузка. Загрузка жесткости в зависимости от расстояния определяется МД по сравнению с этим с помощью AFM экспериментов для C 84 / Si. Модифицированный из ссылки 16. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В данном исследовании мы демонстрируем изготовление в самоорганизующейся монослоя C 84 на подложке Si через новый способ отжига (рисунок 1). Этот процесс также может быть использован для получения других видов наночастиц встраиваемый полупроводниковых подложек. C 84 -вложено кремниевую подложку характеризовался на атомном масштабе с использованием СВВ-СТМ (рис 2), эмиссионный спектрометр поля, фото- люминесцентной спектроскопии, MFM и кальмаров (рисунок 3).

Прочность сцепления , соответствующая наномеханическим свойствами (то есть, стресс) из C 84 -вложено подложки Si может быть измерена с помощью AFM (рисунок 4). Наши результаты показывают , что твердость предлагаемого C 84 -вложено Si подложки сравнима с карбидокремния и Si поверхностей, что делает его применимым в качестве абразивного материала для режущих инструментов, а также пленки в устройствах МЭМС.

jove_content "> В разделе моделирования, штамм фон Мизеса (ε Vm) анализ способен обнаружить локальную деформацию атомной структуры, что очень трудно наблюдать в эксперименте. Тем не менее, это не представляется возможным охарактеризовать фазового превращения. Здесь мы предлагаем некоторые полезные показатели , такие как координационного числа и индекса HA 23 для изучения фазового превращения. в настройках модели вдавливания, мы должны отметить, что размер подложки в направлении плана должны быть по крайней мере в три раза больше чем диаметр зонда для устранения эффекта размера и граничного условия ограничения, которые будут влиять на динамику и силы потока атомов.

Кроме того, из-за ограничения времени МД моделирования, чтобы исследовать процесс вдавливания, зонд должен приложить образец с очень высокой скоростью по сравнению с, что в эксперименте. Отметим, что такая скорость загрузки слишком высока, чтобы выйти длинный рабочий день вOMIC диффузия и миграция поведение, но он по - прежнему подходит для наблюдения и описания пластического поведения деформации и свойства материала при механической нагрузке 24 , поскольку результаты могут быть признаны приблизительно квазистатическая в природе 25. Альтернативная теория, названные Параллельные динамика Replica (PRD) 26, была разработана , чтобы существенно ускорить время моделирования, но это требует значительных вычислительных ресурсов.

Данные , полученные из исследования моделирования MD находится в согласии с AFM отступа эксперимента (рисунок 8); Кроме того, твердость и уменьшенный модуль C 84 -вложено Si подложки сопоставимы с другими подложках. Эти данные свидетельствуют о том, что С 84 -вложено подложках может иметь значительное влияние в оптоэлектронных и разбавьте магнитного полупроводника (DMS) наноустройств.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer Si(111). Type/Dopant: P/Boron; Resistivity: 0.05-0.1 Ohm·cm
Carbon, C84 Legend Star C84 powder, 98%
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich 84422 RCA, 37%
Ammonium Choneye Pure Chemical RCA, 25%
Hydrogen peroxide Choneye Pure Chemical RCA, 35%
Nitrogen Ni Ni Air high-pressure bottle, 95%
Tungsten Nilaco 461327 wire, diameter 0.3 mm, tip
Sodium hydroxide UCW 85765 etching Tungsten wire for tip
Acetone Marcon Fine Chemicals 99920 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
Methanol Marcon Fine Chemicals 64837 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
UHV-SPM JEOL Ltd JSPM-4500A Ultrahigh Vacuum Scanning Tunneling Microscope and Ultrahigh Vacuum Atomic Force Microscope
Power supply Keithley 237 High-Voltage Source-Measure Unit
SQUID Quantum desigh MPMS-7 Magnetic field strength: ±7.0 Tesla, Temperature range: 2–400 K, Magnetic-dipole range: 5 × 10-7 – 300 emu
ALPS National Center for High-performance Computing, Taiwan Advanced Large-scale Parallel Supercluster, 177Tflops; 25,600 CPU cores; 73,728 GB RAM; 1,074 TB storage

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kroto, H. W., Heath, J. R., O'Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
  2. Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
  3. Margadonna, S., et al. Crystal Structure of the Higher Fullerene C84. Chem. Mater. 10, 1742-1744 (1998).
  4. Diederich, F., et al. The Higher Fullerenes: Isolation and Characterization of C76, C84, C90, C94, and C70O, an Oxide of D5h-C70. Science. 252, 548-551 (1991).
  5. Lv, Z., Deng, Z., Xu, D., Li, X., Jia, Y. Efficient organic light-emitting diodes with C60 buffer layer. Displays. 30, 23-26 (2009).
  6. Tokunaga, K. On the difference in electronic properties between fullerene C60 and C60X2. Chem. Phys. Lett. 476, 253-257 (2009).
  7. Basa, D. K., Smith, F. W. Annealing and crystallization processes in a hydrogenated amorphous Si---C alloy film. Thin Solid Films. 192, 121-133 (1990).
  8. Neudeck, P. G., Powell, J. A. Performance limiting micropipe defects in silicon carbide wafers. IEEE Electron Device Lett. 15, 63-65 (1994).
  9. Huang, C. P., Su, C. C., Ho, M. S. Intramolecular Structures of C60 and C84 Molecules on Si(111)-7x7 Surfaces by Scanning Tunneling Microscopy. Appl. Surf. Sci. 254, 7712-7717 (2008).
  10. Huang, C. P., Su, C. C., Su, W. S., Hsu, C. F., Ho, M. S. Nano-measurements of electronic and mechanical properties of fullerene embedded Si(111) surfaces. Appl. Phys. Lett. 97, 061908 (2010).
  11. Huang, C. P., Hsu, C. F., Ho, M. S. Investigation of Fullerene Embedded Silicon Surfaces with Scanning Probe Microscopy. J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 7145-7148 (2010).
  12. Huang, C. P., Su, W. S., Su, C. C., Ho, M. S. Characteristics of Si(111) surface with embedded C84 molecules. RSC Adv. 3 (111), 9234-9239 (2013).
  13. Method of forming self-assembled and uniform fullerene array on surface of substrate. US Patent. Ho, M. S., Huang, C. P. , US9109278 (2015).
  14. Plimpton, S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J. Comp. Phys. 117, 1-19 (1995).
  15. Su, W. S., et al. Using a functional C84 monolayer to improve the mechanical properties and alter substrate deformation. RSC Adv. 5, 47498-47505 (2015).
  16. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO- the Open Visualization Tool. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  17. Watson, P. R., Hove, M. A. V., Hermann, K. Open Surface Structure Database. , Available from: http://www.fhi-berlin.mpg.de/KHsoftware/oSSD (2014).
  18. Tersoff, J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys. Rev. Lett. 56, 632 (1986).
  19. Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions. Journal of Chemical Physics. 112, 6472 (2000).
  20. Rapaport, D. C. The Art of Molecular Dynamics Simulations. , Cambridge University Press. (1997).
  21. Fowler, P. W. Cn Fullerenes. , Available from: http://www.nanotube.msu.edu (2013).
  22. Chandra, N., Namilae, S., Shet, C. Local elastic properties of carbon nanotubes in the presence of Stone-Wales defects. Phys. Rev. B. 69, 094101 (2004).
  23. Honeycutt, J. D., Andersen, H. C. Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of Small Lennard-Jones Clusters. J. Phys. Chem. 91, 4950 (1987).
  24. Schulz, M. J., Kelkar, A. D., Sundaresan, M. J. Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials. , Taylor & Francis. 736 (2005).
  25. Ju, S. P., Wang, C. T., Chien, C. H., Huang, J. C., Jian, S. R. The Nanoindentation Responses of Nickel Surfaces with Different Crystal Orientations. Molecular Simulation. 33, 905-917 (2007).
  26. Mishin, Y., Suzuki, A., Uberuaga, B. P., Voter, A. F. Stick-slip behavior of grain boundaries studied by accelerated molecular dynamics. Phys. Rev. B. 75, (2007).

Tags

Инженерная выпуск 115 фуллерен C Si подложка электроника поверхностный магнетизм молекулярная динамика сканирующей зондовой микроскопии наномеханика механические свойства наноиндентирование физика
Зондирование C<sub&gt; 84</sub&gt; -вложено Si подложки с помощью сканирующей зондовой микроскопии и молекулярной динамики
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J.… More

Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J. H., Chou, C. F., Lee, W. J. Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics. J. Vis. Exp. (115), e54235, doi:10.3791/54235 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter