Probing C ₈₄ -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics

Dieser Artikel berichtet über die Nanomaterialherstellung eines Fulleren-Si-Substrats, das durch Nanomessungen und molekulardynamische Simulation untersucht und verifiziert wurde.

Das Ziel dieser Studie ist die Herstellung eines C84-eingebetteten Siliziumsubstrat-Heteroübergangs und die anschließende Analyse, um ein umfassendes Verständnis der elektronischen, optoelektronischen, mechanischen, magnetischen und Feldemissionseigenschaften der resultierenden Materialien zu erhalten. Nanomaterialien, die ich im Forcator habe, sind ein weitreichender Trend einer Materialrevolution. Mit Hilfe eines dünnen Sondenmikroskops werden wir in der Lage sein, die Eigenschaften von Nanostrukturen auf den Oberflächen mit einer ausreichenden und einer ausreichenden Auflösung zu identifizieren.

Mit Hilfe der molekulardynamischen Simulation können wir die Art, das abhängige, atomare und mechanische Verhalten des Eindringprozesses überwachen. Alle Simulationen wurden mit parallelem Rechnen in einem Supercluster ALPS des NCHC durchgeführt und die gesamte Experimentarbeit wurde im nanowissenschaftlichen Labor des NCHU durchgeführt. Die Person, die die Prozeduren demonstriert hat, ist Che-Fu, Pei-Fang, Ya-Chi und Wei-Pin aus meiner Gruppe.

Zuerst wird ein Silizium-111-Substrat einer Reinigung unterzogen, bei der ein Lösungsmittel aufgetragen wird, gefolgt von einer Erhitzung in einem Ultrahochvakuumsystem, um die Oxidschicht und Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Für die C84-Abscheidung auf der Siliziumoberfläche wird ein Castle-Verdampfer mit externer Stromversorgung durch Heizfilamente auf 500 Grad Celsius vorgeheizt, um das Ausgasen von Verunreinigungen zu fördern. Laden Sie als Nächstes C84-Nanopartikel in einen Castle-Container.

Erhitzen Sie dann das Castle resistiv auf 650 Grad Celsius, um die C84-Nanopartikel zu verdampfen. Verdampfen Sie nun die C84-Nanopartikel in geraden Linien, bis sie durch ein gesteuertes Ventil mit einem Druck von weniger als fünf mal 10 bis minus acht Pascal auf das Siliziumsubstrat treffen. Anschließend wird in der ALBA Silizium 111 in einem Ultrahochvakuumsystem bei 900 Grad Celsius vorsubstatiert, um die eins-zu-eins-Strukturen zu erhalten.

Reduzieren Sie die Temperatur für 30 Minuten auf 650 Grad Celsius, um die C84-Nanopartikel auf der Oberfläche des Substrats abzuscheiden. In dem ALBA-Siliziumsubstrat bei etwa 750 Grad Celsius für 12 Stunden, während dieser Zeit ordnen sich die pulverförmigen C84-Nanopartikel selbst zu einem hochgradig gleichmäßigen Fullerenstrahl auf der Oberfläche des Silizium-111-Substrats zusammen. Platzieren Sie an dieser Stelle das in C84 eingebettete Siliziumsubstrat auf einem Rastersondenmikroskopie-Halter (SPM).

Übertragen Sie die Probe aus der Austauschkammer in eine Probenvorbereitungskammer. Setzen Sie den Halter in ein UHV-STM-Scankopfsystem ein und überführen Sie die Probe in eine Beobachtungskammer. Sweepen Sie dann die angelegte Probenvorspannung von minus fünf auf fünf Volt.

Klicken Sie anschließend auf das Element IV-Messung, um das Tunnelstromauge mit atomarer Auflösung zu messen. Wählen Sie für die Messungen mindestens 20 bestimmte Stellen auf dem C84-eingebetteten Siliziumsubstrat aus. Um die Bandlückenenergie zu messen, erhält man IV-Kurven, wie sie zuvor beschrieben wurden, von den im Textprotokoll angegebenen Oberflächen.

Platzieren Sie anschließend das in C84 eingebettete Siliziumsubstrat auf einem Feldemissions-Probenhalter (FE). Setzen Sie den Halter in die FE-Analysekammer ein. Evakuieren Sie dann die Kammer auf einen Druck von etwa fünfmal 10 auf minus 5 Pascal für die FE-Messung.

Erhöhen Sie die am Substrat angelegte Spannung manuell von 100 auf 1.100 Volt. Messen Sie den entsprechenden Feldemissionsstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung mit einer Hochspannungsquellen-Messeinheit mit einem Stromverstärker. Platzieren Sie nun das Prüfsubstrat in der Mitte des Probenraums eines optischen Emissionsmesssystems.

Fokussieren Sie dann eine Helium-Cadmium-Laserquelle mit 325-Nanometer-Emissionen. Nach dem Einrichten des Spektrometers erfassen Sie das Photolumineszenzspektrum, indem Sie die emittierenden Photonen sammeln und analysieren. Magnetisieren Sie Proben des in C84 eingebetteten Siliziumsubstrats vor der magnetischen Kraftspektroskopie (MFM-Messungen), indem Sie einen Magneten mit einer Feldstärke von ca. 2 Kilo oersted anlegen.

Nach dem Platzieren der magnetisierten Probe auf dem MFM-Probentisch beobachten Sie die Mikrostruktur des Fullerens in der magnetischen Domäne, die in das Siliziumsubstrat eingebettet ist, unter Verwendung von MFM im Lift-Modus unter Anwendung einer Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche der Probe. Anschließend werden Proben des C84-eingebetteten Siliziumsubstrats und der C84-Cluster auf dem C84-eingebetteten Siliziumsubstrat vor den SQUID-Experimenten magnetisiert, indem ein Magnet mit einer Feldstärke von ca. 2 Kilo oersted angelegt wird. Legen Sie die magnetisierte Probe in den SQUID.

Wenden Sie dann ein geschwungenes Magnetfeld in einem Bereich von etwa 2 Kilo oersted an. Erhalten Sie die Magnetisierungsschleifen, die in SQUID-Messungen bei Raumtemperatur gegen das externe Magnetfeld aufgetragen sind. Um die Steifigkeit des in C84 eingebetteten Siliziumsubstrats zu messen, legen Sie zunächst eines der Substrate auf einen Rastermikroskop-Probentisch.

Als nächstes erhalten Sie Kraftmessungen unter atmosphärischen Bedingungen von den entsprechenden Siliziumsubstraten. Erzielen Sie Kraftmessungen, wie zuvor beschrieben, mit dem AFM und einem UHV-System von den entsprechenden Siliziumsubstraten. Um das Siliziumsubstrat vorzubereiten, schalten Sie die OSSD-Software ein.

Klicken Sie auf die Schaltfläche "Suchen", um das Feld für die Suchkriterien anzuzeigen. Wählen Sie zwischen Siliziumsubstrat, Elementartyp, rekonstruierter Struktur, Halbleiterelektronik, Diamantgitter, 111-Fläche und Sieben-mal-Sieben-Muster. Klicken Sie dann auf die Schaltflächen Suchen und Akzeptieren, um das Strukturlistenfeld anzuzeigen.

Klicken Sie auf die gewünschte Struktur Silizium 111 sieben mal sieben Oberfläche. Klicken Sie nun auf die Schaltfläche Datei und speichern Sie die Koordinationsdatei als xyz-Datei. Schalten Sie als Nächstes die Ovito-Software ein, laden Sie die xyz-Datei in die Software und verwenden Sie den Slice-Befehl, um eine Superzelle der Silizium-Oberflächenstruktur 111 mit sieben x sieben Pixeln in der entsprechenden Größe von 26,878 x 46,554 Ångström im Quadrat in X- und Y-Richtung zu erfassen.

Verwenden Sie den Befehl Simulationszelle, um die Zellengröße in X- und Y-Richtung anzupassen und die Zelle auf den Ursprungspunkt Null zu verschieben. Verwenden Sie die affine Transformation, und klicken Sie auf Transformationsmatrix, um das Modell um 5,714 Ångström in die Normalenrichtung zu verschieben. Verwenden Sie den Befehl Schneiden, um die unterste Atomlage in Normalenrichtung zu schneiden.

Exportieren Sie die Datendatei im Format LAMMPS. Mit dem LAMMPS-Datendateiformat wird die Zellengrenze definiert. Laden Sie die Daten im Format LAMMPS wieder in den Ovito.

Verwenden Sie den Befehl Bei periodischen Berandungen umbrechen, um die Struktur in der Zelle neu anzuordnen. Verwenden Sie die affine Transformation und klicken Sie auf Transformationsmatrix, um das Modell um 84,6 Ångström in die Normalenrichtung zu verschieben. Verwenden Sie den Befehl Simulationszelle, um die Zellengröße um 150 Ångström in Z-Richtung anzupassen.

Exportieren Sie die Datendatei im Format LAMMPS. Laden Sie die Daten erneut in den Ovito. Verwenden Sie "Periodische Bilder anzeigen", um eine fünf mal drei Superzellen in X- und Y-Richtung zu duplizieren und so das Substrat zu vergrößern.

Exportieren Sie die Datendatei im Format LAMMPS. Nachdem Sie eine Koordinationsdatei der Silizium-111-Superzelle mit der entsprechenden Größe erstellt haben, laden Sie die Daten in Ovito. Verwenden Sie "Periodische Bilder anzeigen", um eine fünf x drei x acht große Superzelle in X-, Y- und Z-Richtung zu duplizieren und so das Substrat zu vergrößern.

Verwenden Sie die affine Transformation, und wählen Sie Transformationsmatrix aus, um das Modell auf den Ursprungspunkt in Z-Richtung 37,6184 Ångström zu verschieben. Exportieren Sie die Datendatei im Format LAMMPS. Kombinieren Sie die Datendateien der Silizium-111-Sieben-mal-Sieben-Oberflächen- und der Silizium-111-Substratmodelle mit Hilfe eines Texteditors.

Das Sieben-mal-Sieben-mal-Substratmodell Silizium 111 ist fertig. Um die C84-Fulleren-Monoschicht vorzubereiten, laden Sie die Koordinationsdatei des C84-Fullerens aus dem Internet herunter. Verwenden Sie ein selbstgemachtes Programm, um sieben mal sieben C84-Fullerene zu duplizieren, die in einer Wabenstruktur angeordnet sind.

Als nächstes verwenden Sie ein hausgemachtes Programm, um die C84-Monoschicht mit einem Abstand von drei Ångström auf die Oberfläche des Silikons 111 sieben mal sieben zu legen. Verwenden Sie den Befehl Daten laden, um das Simulationsmodell in das LAMMPS-Skript zu laden. Richten Sie dann den Bereich ein und erstellen Sie Atombefehle, um eine sphärische Sonde mit fünf Nanometern zu erstellen.

Bereiten Sie abschließend ein Eingabeskript von LAMMPS für die Eindringsimulation vor und berechnen Sie die detaillierten mechanischen Eigenschaften. Eine Monoschicht aus C84-Molekülen auf einer ungeordneten Silizium-111-Oberfläche wurde unter Verwendung eines kontrollierten Selbstorganisationsprozesses hergestellt, und eine Reihe von topographischen Bildern, die mit UHV-STM gemessen wurden, mit unterschiedlichen Abdeckungsgraden sind hier zu sehen. Die elektronischen und optischen Eigenschaften des C84-eingebetteten Siliziumsubstrats wurden mit Hilfe von STM- und Photolumineszenzanalysetechniken untersucht.

Die hervorragenden Materialeigenschaften der Proben zeigen, wie Nanotechnologie zur Kontrolle von Materie auf atomarer und Nanoskala eingesetzt werden kann. Die MFM- und SQUID-Ergebnisse zeigen den Oberflächenmagnetismus von C84-eingebettetem Substrat. Die UHV-AFM-Ergebnisse zeigen das Potenzial des in C84 eingebetteten Siliziumsubstrats als Alternative zu Halbleiterkarbid in nanoelektronischen Bauelementen für Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen.

Sowie in magnetischen und mikroelektromechanischen Systemen. Der molekulardynamische Simulationsprozess an der Nanoindentation von C84-eingebettetem Substrat wird hier gezeigt. Die mechanischen Eigenschaften des in Fulleren eingebetteten Substrats sind hier dargestellt.

Die entsprechenden Schnappschüsse in Abhängigkeit von der Einrücktiefe sind hier zu sehen. Die Ergebnisse der Eindringkraft in Abhängigkeit von der Eindringtiefe werden verwendet, um die Härte, den reduzierten Modul und die Aufblähsteifigkeit der C84-Monoschicht zu berechnen. Es ist heute eine weit verbreitete Meinung, dass ein Nanomaterial aufgrund der Schichteinheit chemischer, physikalischer und mechanischer Eigenschaften eine anwendbare Entwicklung in Wissenschaft und Technologie nach sich ziehen wird.

Mit nur einer Monoschicht Fulleren können die Eigenschaften des Siliziumsubstrats drastisch verändert werden. In unserer Studie hat das in Fulleren eingebettete Siliziumsubstrat eine wellenförmige Kante, gute Kraftstoffemissionseigenschaften und eine hohe Festigkeit und ist auch das magnetische Fulleren. Ich glaube, dass unsere vorgeschlagenen Substrate in einer breiteren Anwendung in der Nanotechnologie eine bessere Leistung erbringen werden.

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