Probing C

Das Ziel dieser Studie ist die Herstellung einer C84-eingebetteten Silizium-Substrat-Heterostruktur und die anschließende Analyse, um ein umfassendes Verständnis der elektronischen, optoelektronischen, mechanischen, magnetischen und Feldemissionseigenschaften der resultierenden Materialien zu erlangen. Nanomaterialien, die ich im Forcator habe, sind ein aufkommender Trend einer Materialrevolution. Mithilfe eines spitzenbasierten Mikroskops werden wir in der Lage sein, die Eigenschaften von Nanostrukturen auf Oberflächen mit ausreichender Auflösung zu identifizieren.

Mithilfe der molekulardynamischen Simulation können wir die Art, Abhängigkeit, atomares Verhalten und mechanische Eigenschaften des Eindruckvorgangs überwachen. Alle Simulationen wurden mit parallelem Rechnen in einem Supercluster ALPS des NCHC durchgeführt, und sämtliche experimentellen Arbeiten wurden im Nanowissenschaftslabor der NCHU ausgeführt. Die Personen, die die Verfahren demonstriert haben, werden Che-Fu, Pei-Fang, Ya-Chi und Wei-Pin aus meiner Gruppe sein.

Zunächst unterziehen Sie ein Silizium-111-Substrat einer Reinigung, die die Anwendung eines Lösungsmittels gefolgt von einer Erhitzung in einem ultrahochvakuumtechnischen System umfasst, um die Oxidschicht und Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Zum Aufdampfen von C84 auf der Siliziumoberfläche heizen Sie einen Castle-Verdampfer mit einer externen Stromquelle über Heizfäden auf 500 Grad Celsius vor, um die Entgasung von Verunreinigungen zu fördern. Danach füllen Sie C84-Nanopartikel in einen Castle-Behälter ein.

Dann das Castle widerstandsfähig auf 650 Grad Celsius erhitzen, um die C84-Nanopartikel zu verdampfen. Anschließend die C84-Nanopartikel geradlinig verdampfen, bis sie durch ein geregeltes Ventil bei einem Druck unter fünf mal 10 hoch minus acht Pascal auf das Silizium-Substrat treffen. Danach das ALBA-Silizium-111-Substrat in einem ultrahochvakuumisierten System bei 900 Grad Celsius präparieren, um die 1×1-Strukturen zu erhalten.

Senken Sie die Temperatur auf 650 Grad Celsius für 30 Minuten, um die Abscheidung der C84-Nanopartikel auf der Oberfläche des Substrats durchzuführen. Bei der ALBA-Siliziumsubstrat bei etwa 750 Grad Celsius für 12 Stunden, während derer sich die pulverförmigen C84-Nanopartikel zu einem hochgradig uniformen Fullerene-Strahl auf der Oberfläche des Silizium-111-Substrats selbst organisieren. Bringen Sie zu diesem Zeitpunkt das C84-enthaltende Siliziumsubstrat auf einem Probenträger für die Raster-Sonden-Mikroskopie, oder SPM, an.

Überführen Sie die Probe aus der Austauschkammer in eine Probenvorbereitungskammer. Führen Sie den Halter in ein UHV-STM-Scankopfsystem ein und übertragen Sie die Probe in eine Beobachtungskammer. Anschließend wird die angelegte Probenspannung von minus fünf auf fünf Volt gescannt.

Klicken Sie anschließend auf den IV-Messpunkt, um den Tunnelstromverlauf mit atomarer Auflösung aufzunehmen. Wählen Sie mindestens 20 spezifische Positionen auf dem mit C84 dotierten Silizium-Substrat für die Messungen aus. Um die Bandlückenenergie zu bestimmen, nehmen Sie IV-Kurven wie zuvor beschrieben von den in der Textanleitung angegebenen Oberflächen auf.

Stellen Sie danach das mit C84 beschichtete Siliziumsubstrat auf einen Probenträger für die Feldemissions- (FE-)Analyse. Führen Sie den Träger in die Analysekammer für die Feldemissionsmessung ein. Evakuieren Sie anschließend die Kammer auf einen Druck von etwa fünf mal 10 hoch minus 5 Pascal für die FE-Messung.

Erhöhen Sie die angelegte Spannung manuell am Substrat von 100 auf 1.100 Volt. Messen Sie den entsprechenden Feldemissionsstrom als Funktion der angelegten Spannung mithilfe einer Hochspannungs-Messgerät-Einheit mit einem Stromverstärker. Platzieren Sie nun das Testsubstrat in die Mitte der Probenkammer eines optischen Emissionsmesssystems.

Danach fokussieren Sie eine Helium-Cadmium-Laserquelle mit Emissionen von 325 Nanometer. Richten Sie nach dem Aufbau des Spektrometers das Photolumineszenzspektrum ein, indem Sie emittierte Photonen sammeln und analysieren. Magnetisieren Sie Proben des mit C84 versehenen Silizium-Substrats vor magnetischen Kraftmessungen (MFM), indem Sie ein Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 2 kilo Oersted anlegen.

Nachdem die magnetisierte Probe auf der MFM-Probenhalterung platziert wurde, beobachten Sie die Mikrostruktur des Fullerenes in der magnetischen Domäne, die in das Siliziumsubstrat eingebettet ist, mittels MFM im Lift-Modus unter Anwendung einer Magnetisierung senkrecht zur Probenoberfläche. Danach magnetisieren Sie Proben des C84-enthaltenden Siliziumsubstrats sowie C84-Cluster auf dem C84-enthaltenden Siliziumsubstrat vor SQUID-Experimenten, indem Sie ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von etwa 2 Kilooersted anlegen. Platzieren Sie die magnetisierte Probe in das SQUID.

Dann wenden Sie ein durchgehendes Magnetfeld im Bereich von etwa 2 Kilooersted an. Erhalten Sie die Magnetisierungskurven, die in Bezug auf das äußere Magnetfeld in SQUID-Messungen bei Raumtemperatur aufgetragen sind. Um die Steifigkeit des mit C84 dotierten Siliziumsubstrats zu messen, platzieren Sie zunächst eines der Substrate auf einer Probehalterung für ein AFM oder atomares Mikroskop.

Als Nächstes erhalten Sie Kraftmessungen unter atmosphärischen Bedingungen von den geeigneten Silizium-Substraten. Führen Sie die Kraftmessungen wie zuvor beschrieben unter Verwendung eines AFM und eines UHV-Systems von den geeigneten Silizium-Substraten durch. Um das Silizium-Substrat vorzubereiten, schalten Sie die OSSD-Software ein.

Klicken Sie auf die Suchschaltfläche, um das Suchkriterien-Feld anzuzeigen. Wählen Sie Silizium-Substrat, elementarer Typ, rekonstruierte Struktur, Halbleiter-Elektronik, Diamantgitter, (111)-Oberfläche und Muster im Verhältnis sieben zu sieben. Klicken Sie anschließend auf die Schaltflächen Suchen und Bestätigen, um das Struktur-Listen-Feld anzuzeigen.

Klicken Sie die gewünschte Struktur der Silizium-111-(7×7)-Oberfläche an. Klicken Sie nun auf die Schaltfläche „Datei“ und speichern Sie die Koordinatendatei als XYZ-Datei. Starten Sie als Nächstes die Ovito-Software, laden Sie die XYZ-Datei in die Software und verwenden Sie den Befehl „Scheibe“, um eine Überzelle der Silizium-111-(7×7)-Oberflächenstruktur mit der geeigneten Größe von 26,878 × 46,554 Ų in X- und Y-Richtung zu erzeugen.

Verwenden Sie den Befehl „simulation cell“, um die Zellgröße in X- und Y-Richtung anzupassen und die Zelle zum Ursprungspunkt bei null zu verschieben. Verwenden Sie die affine Transformation und klicken Sie auf „transform matrix“, um das Modell um 5,714 Å in Normalenrichtung zu verschieben. Verwenden Sie den Befehl „slice“, um die unterste Atomlage in Normalenrichtung abzuschneiden.

Exportieren Sie die Datendatei im LAMMPS-Format. Mit dem LAMMPS-Datendateiformat wird die Zellgrenze definiert. Laden Sie die Daten erneut im LAMMPS-Format in Ovito.

Verwenden Sie den Befehl „Struktur an periodischen Grenzen anordnen“, um die Struktur innerhalb der Zelle neu zu arrangieren. Verwenden Sie die affine Transformation und klicken Sie auf Transformationsmatrix, um das Modell um 84,6 Å in Normalenrichtung zu verschieben. Verwenden Sie den Befehl „Simulationszelle“, um die Zellgröße in Z-Richtung auf 150 Å anzupassen.

Exportieren Sie die Datendatei im LAMMPS-Format. Laden Sie die Daten erneut in Ovito. Verwenden Sie „show periodic images“, um eine 5 × 3-Überzelle in X- und Y-Richtung zu duplizieren und so die Größe des Substrats zu vergrößern.

Exportieren Sie die Datendatei im LAMMPS-Format. Nachdem Sie eine Koordinationsdatei der Silizium-111-Überzelle mit der geeigneten Größe vorbereitet haben, laden Sie die Daten in Ovito. Verwenden Sie „Show periodic images“, um eine Überzelle mit den Abmessungen fünf mal drei mal acht in X-, Y- und Z-Richtung zu duplizieren und so die Größe des Substrats zu vergrößern.

Verwenden Sie eine affine Transformation und wählen Sie die Transformationsmatrix, um das Modell in Z-Richtung um 37,6184 Ångström zum Ursprungspunkt zu verschieben. Exportieren Sie die Datendatei im LAMMPS-Format. Kombinieren Sie die Datendateien der sieben mal sieben großen Silizium-111-Oberfläche und des Silizium-111-Substratmodells mithilfe eines Texteditors.

Das Silizium-111-Substratmodell sieben mal sieben ist fertig. Um die einlagige C84-Fulleren-Schicht vorzubereiten, laden Sie die Koordinatendatei des C84-Fullerens aus dem Internet herunter. Verwenden Sie ein selbstgeschriebenes Programm, um sieben mal sieben C84-Fulleren-Moleküle in einer Wabenstruktur zu duplizieren.

Verwenden Sie anschließend ein selbst entwickeltes Programm, um die C84-Einzel-Schicht auf der Silizium-111-(7×7)-Oberfläche mit einem Abstand von drei Ångström aufzubringen. Nutzen Sie den Befehl „load data“, um das Simulationsmodell im LAMMPS-Skript zu laden. Danach definieren Sie den Bereich und verwenden Sie die Befehle „create region“ und „create atoms“, um eine sphärische Sonde mit einem Durchmesser von fünf Nanometern zu erzeugen.

Schließlich wird ein Eingabeskript für LAMMPS zur Simulation der Eindrückung vorbereitet und die detaillierten mechanischen Eigenschaften berechnet. Eine einlagige Schicht aus C84-Molekülen auf einer ungeordneten Silizium-111-Oberfläche wurde mittels eines kontrollierten Selbstassemblierungsprozesses hergestellt, und eine Reihe topografischer Bilder, die mittels UHV-STM bei unterschiedlichen Bedeckungsgraden gemessen wurden, wird hier gezeigt. Die elektronischen und optischen Eigenschaften des C84-enthaltenden Silizium-Substrats wurden mittels STM- und Photolumineszenz-Analysemethoden untersucht.

Die hervorragenden Materialeigenschaften der Proben zeigen, wie Nanotechnologie zur Kontrolle der Materie auf atomarer und nanoskaliger Ebene eingesetzt werden kann. Die MFM- und SQUID-Ergebnisse zeigen die Oberflächenmagnetisierung des C84-eingebetteten Substrats. Die UHV-AFM-Ergebnisse belegen das Potenzial des C84-eingebetteten Siliziumsubstrats als Alternative zu Halbleiterkarbid in nanoelektronischen Bauelementen für Anwendungen bei hohen Temperaturen, hoher Leistung und hohen Frequenzen.

Sowie in magnetischen und mikroelektromechanischen Systemen. Der molekulardynamische Simulationsprozess zur Nanoindentierung eines C84-enthaltenden Substrats wird hier gezeigt. Die mechanischen Eigenschaften des fullerenenhaltigen Substrats werden hier dargestellt.

Die entsprechenden Momentaufnahmen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe sind hier sichtbar. Die Ergebnisse der Eindruckkraft in Abhängigkeit von der Eindringtiefe werden verwendet, um die Härte, den reduzierten Modul und die Steifigkeit der Schwellung der C84-Monoschicht zu berechnen. Inzwischen herrscht die weit verbreitete Ansicht, dass ein Nanomaterial eine anwendbare Entwicklung in Wissenschaft und Technologie hervorrufen wird, bedingt durch die Schichtstruktur chemischer, physikalischer und mechanischer Eigenschaften.

Bei nur einer einlagigen Schicht aus Fulleren können die Eigenschaften des Silizium-Substrats drastisch verändert werden. In unserer Studie weist das mit Fulleren dotierte Silizium-Substrat eine wellenförmige Kante, gute Kraftstoffemissionseigenschaften und eine hohe Festigkeit auf, außerdem ist das Fulleren magnetisch. Ich bin der Ansicht, dass unsere vorgeschlagenen Substrate eine bessere Leistung in einem breiteren Anwendungsspektrum der Nanotechnologie erzielen werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Experimente und Simulationen zur Oberflächenmagnetismus durchgeführt werden. Die Demonstration dieser umfassenden Methoden wird Forschern den Weg ebnen, die grundlegenden Eigenschaften von Materialien zu erforschen.