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Engineering

sondagem 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

Este artigo relata um conjunto concebido C 84 -embedded substrato de Si fabricados usando um método de auto-montagem controladas em uma câmara de vácuo ultra-alta. As características do C 84 -embedded superfície Si, tais como uma topografia atômica resolução, densidade eletrônica local dos estados, energia da banda, propriedades de emissão de campo, rigidez nanomechanical, e magnetismo de superfície, foram examinados usando uma variedade de técnicas de análise de superfície sob ultra, alto vácuo (UHV) condições, bem como num sistema atmosférica. Resultados experimentais demonstram a alta uniformidade do 84 C -embedded Si superfície fabricados usando um mecanismo de nanotecnologia auto-montagem controlada, representa um importante desenvolvimento na aplicação de exibição de emissão de campo (FED), fabricação de dispositivos optoeletrônicos, MEMS ferramentas de corte, e nos esforços para encontrar um substituto adequado para semicondutores de metal duro. dinâmica molecular método (MD), com potencial semi-empírica pode be usadas para estudar a nanoindentação de C 84 -embedded substrato de Si. Uma descrição detalhada para a realização de simulação MD é aqui apresentada. Detalhes de um estudo abrangente sobre análise mecânica de simulação MD, tais como força de recuo, o módulo de Young, a rigidez da superfície, estresse atômica, e tensão atômica estão incluídos. As distribuições de tensões e deformações von Mises-atômicas do modelo recuo pode ser calculado para monitorar mecanismo de deformação com avaliação de tempos no nível atomística.

Introduction

Moléculas de fulereno e os materiais compósitos que compreendem são distintos entre os nanomateriais, devido às suas características estruturais excelentes, condutividade eletrônica, resistência mecânica, e as propriedades químicas 1-4. Estes materiais têm provado altamente benéfico em uma variedade de campos, tais como eletrônicos, computadores, tecnologia de células de combustível, células solares, e tecnologia de emissão de campo 5,6.

Entre estes materiais, carboneto de silício (SiC) compósitos de nanopartículas têm recebido especial atenção graças à sua lacuna de banda larga, de alta condutividade térmica e estabilidade, alta capacidade avaria elétrica e inércia química. Estes benefícios são particularmente óbvio em dispositivos optoeletrônicos, metal-oxide-semiconductor de efeito de campo de transistores (MOSFET), diodos emissores de luz (LEDs), e de alta potência, de alta frequência, e aplicações de alta temperatura. No entanto, os defeitos de alta densidade comumente observados na superfície de Conventicarboneto de silício onal pode ter efeitos prejudiciais sobre a estrutura eletrônica, mesmo levando à falha do dispositivo 7,8. Apesar do fato de que a aplicação de SiC tem sido estudada desde 1960, este problema não resolvido em particular permanece.

O objetivo deste estudo foi a fabricação de uma C 84 -embedded heterojunction substrato de Si e análise posterior para obter uma compreensão abrangente das propriedades de emissão eletrônica, optoeletrônicos, mecânico, magnético, e de campo dos materiais resultantes. Nós também abordou a questão do uso de simulação numérica para prever as características dos nanomateriais, através da nova aplicação de cálculos de dinâmica molecular.

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Protocol

NOTA: O documento descreve os métodos utilizados na formação de uma matriz de fulereno auto-montados na superfície de um substrato semicondutor. Especificamente, apresenta-se um novo método para a preparação de um substrato de silício incorporado-fulereno para utilização como um emissor de campo ou de substrato em sistemas microeletromecânicos (MEMS) e dispositivos optoelectrónicos de alta temperatura, de alta potência, aplicações, bem como em alta dispositivos -Frequência 9-13.

1. Fabricação de Hexagonal fechou-embalados (HCP) Overlayer de C 84 em Si Substrato

  1. Prepare Limpo Si (111) Substrato
    1. Objecto substrato de Si para RCA (Radio Corporation of America) de limpeza, que envolve a aplicação de um solvente seguida por aquecimento num sistema de ultra-alto vácuo para a remoção da camada de óxido e as impurezas da superfície do substrato (ver material de suporte).
      NOTA: Aqui, o termo "ultra-UHV sistema de alto vácuo" referea um vácuo inferior a 1 x 10 -8 Pa usado na preparação de um Si (111).
  2. Depósito C 84 na superfície de silício Usando evaporação térmica em um Sistema de UHV
    1. Pré-aqueça um evaporador de células K com fonte de energia externa por meio de filamentos de aquecimento a 500 ° C para promover a expulsão das impurezas.
    2. Carregar C 84 nanopartículas em um recipiente de célula K. Resistivamente aquecer a célula-K até 650 ° C. Vaporizar C 84 nanopartículas como C 84 nanopartículas no recipiente compor vapores. Evaporar C 84 nanopartículas em linhas retas até nanopartículas encontrar um substrato de Si através de uma válvula controlada a pressão abaixo de 5 x 10 -8 Pa.
  3. Incorporar C 84 moléculas dentro Si superfície por meio de mecanismo de auto-montagem
    1. Pré-recozimento de Si (111) do substrato em um sistema de vácuo ultra-elevado a 900 ° C para se obter estruturas de (1x1). Reduzir a temperatura a 650 ° C durante 30 min para os DEPOSition das nanopartículas de 84 C sobre a superfície do substrato.
    2. Recozer o substrato de Si em ~ 750 ° C durante 12 h, tempo durante o qual o pó C-84 nanopartículas auto-montar em uma matriz de fulereno altamente uniforme sobre a superfície da (111) do substrato de Si.
      NOTA: Aqui, o termo "matriz fulereno altamente uniforme" refere-se a distribuição uniforme do fulereno no substrato, em que a maioria das nanopartículas são orientados numa disposição compacta perpendicular à superfície do substrato. Esta configuração ajuda a assegurar que a altura vertical da matriz fulereno era essencialmente idêntico em todas as amostras.

2. Medidas de Propriedades Eletrônicas de C 84 -embedded Si Substrato

  1. Medir a densidade eletrônica local dos Estados Usando UHV-scanning tunneling Microscopia
    1. IV medir curvas de átomos específicos usando UHV-SPM
    2. Lugar C 84
    3. Clique em "IV" item de medição para medir a corrente de tunelamento I em resolução atômica. Escolha pelo menos 20 locais particulares no C 84 -embedded substrato de Si para as medições. Calcular o valor médio da corrente de penetração I mais de 20 locais particulares. Derivar I, como uma função da tensão. curvas Lote IV.
    4. Calcular o derivado de I (V) em relação a V. Convertem-se as curvas IV ao DI / DV como uma função da tensão, a fim de determinar o estado electrónico do local de C 84 -embedded substrato de Si.
  2. Meça Banda Gap Energia
    1. Obter curvas IV de acordo com os procedimentos descritos em 2.1.2 e 2.1.3 de seguir o: Si (111) de superfície -7x7, Si (111) de superfície -1x1, único C indivíduo 84 nanopartículas sobre Si, 7-19 C 84clusters em Si, 20-50 C 84 clusters em Si, e uma monocamada de C 84 embutido dentro da superfície Si.
    2. Calcular o derivado de I (V) em relação a V. Convertem-se as curvas de IV, a fim DI / curvas de vídeo digital para medir as diferenças de energia HOMO-LUMO (referida à energia da banda proibida) em cada local de medição, como mostrado na Figura 2a.
  3. Obter propriedades do campo de emissão (FE)
    1. Lugar C 84 -embedded substrato de Si em um suporte de amostras FE. Insira o suporte na câmara de análise FE. Evacuar a câmara a uma pressão de aproximadamente 5 x 10 5 Pa para medição FE.
      NOTA: O substrato de silício -embedded C 84 funcionava como cátodo e uma sonda de cobre com uma área de secção transversal de 0,71 milímetros ~ 2 funcionou como ânodo. A distância entre o cátodo e o ânodo era de aproximadamente 590? M.
    2. Aumentar a tensão aplicada manualmente no substrato a partir de 100 V a 1100 V. Medir a correspondeming corrente de emissão de campo como uma função da tensão aplicada usando uma unidade de medição de fonte de alta tensão com amplificador de corrente.
    3. Calcula-se a correlação de emissão de campo de Fowler-Nordheim de acordo com a função de trabalho ~ 5 eV como mostrado na Figura 2b.
    4. Obter o factor geométrico realce campo (β) como se segue: M (campo) = β (V / d) com um valor de aproximadamente 4.383 β.
    5. Obter o campo de avaria elétrica sob vácuo com base na encosta do logaritmo natural (J / E 2) vs (1 / E), que nos deu um valor de ~ 4.0 x 10 6 V / cm para o 84 C -embedded substrato de Si como mostrado na Figura 2c.
  4. Propriedades optoeletrônicos
    1. Transferir substrato de teste a um sistema de medição da emissão óptica. Concentre-se uma fonte de laser de He-Cd com emissões 325 nm sobre o substrato que está localizado no centro do compartimento da amostra. Configurar um espectrómetro em uma posição adequada. Use uma spectrometer para adquirir o espectro de fotoluminescência através da recolha e análise de fótons que emitem. O resultado optoelectrónico é mostrada na Figura 2d.

3. Medições de magnetismo superfície

  1. Obter MFM Topografia (Magnetic Microscopia de Força).
    1. Magnetizar amostras de 84 C -embedded Si antes das medições MFM através da aplicação de um magneto com uma intensidade de campo de cerca de 2 kOe.
    2. Colocar a amostra magnetizada em um estágio da amostra MFM. Clique em "Obter MFM topografia" item. Observar a microestrutura do fulereno no domínio magnético incorporado dentro do substrato de Si usando MFM em modo de elevador com a aplicação de magnetização perpendicular à superfície da amostra.
    3. Use uma escala nano PPP-MFMR cantilever para medições de MFM (Figura 3a). Determinar o magnetismo de superfície, se MFM topografia parece mais escuro (mais claro) quando o momento magnético dica é na same (em frente) em direcção do momento substrato.
  2. SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Medição
    1. Prepare monocamada de C 84 -embedded substrato de Si e C 84 C 84 aglomerados em substrato de Si incorporado.
    2. Magnetizar amostras de C 84 -embedded Si e 84 grupos C em C 84 incorporado substrato de Si antes de experimentos SQUID pela aplicação de um ímã com uma força de campo de aproximadamente 2 kOe.
    3. Colocar a amostra em um SQUID. Aplicar um campo magnético de varrimento em uma gama de ~ 2 kOe. Obter os lacetes de magnetização representados graficamente em função do campo magnético externo no SQUID medições, à temperatura ambiente.
      NOTA: O MH curva típica para um material ferromagnético pode ser obtido como mostrado na Figura 3b.

4. medição de propriedades Nanomechanical por AFM

NOTA: microscopia de força atômica (AFM) fornece umaferramenta poderosa para a caracterização de materiais e propriedades mecânicas em micro e nano-escala no ar, assim como em um ambiente de UHV

  1. Medir a rigidez do C 84 incorporados substrato de Si sob condições atmosféricas
    1. Coloque o substrato em um estágio da amostra AFM. Arraste uma ponta afiada ao longo dos substratos usando um scanner. Monitorar os deslocamentos da ponta como uma medida das forças de interacção ponta-amostra. Grave os movimentos em muitas distâncias da ponta-amostra ao longo sentido vertical em uma determinada posição, clicando no item de "medição de força".
    2. Obter medições de força, usando um AFM em condições atmosféricas a partir de um substrato de Si RCA-limpas com 2-3 nm de camada de óxido natural, bem como a partir de um C 84 -embedded substrato de Si e um substrato de Si revestido com uma película fina de SiC.
    3. Usando o software de AFM, traçar curvas força-distância sob condições atmosféricas.
      NOTA: O cantilever AFM era uma sonda de Si com um raio de ponta de~ 5-20 nm constante e na primavera de ~ 40 N / m.
  2. Medir a rigidez do C 84 Incorporado Si Substrato em UHV Câmara
    1. Obter medições de força de acordo com a orientação do 4.1.1 usando um AFM em um sistema de UHV a partir de um substrato de Si limpa-RCA, um Si (111) de superfície -7x7 limpo, um C 84 -embedded substrato de Si, substrato e um substrato de Si revestido com uma película fina de SiC.
    2. Traçar curvas força-distância em um sistema de UHV. Nota:. O cantilever AFM era uma sonda de Si com um raio de ponta de ~ 5-20 nm e primavera constante de ~ 40 N / m Figura 4 apresenta a análise de forças de distância da superfície Si desordenada, 7 x 7 superfície, auto-única camada reunida de C 84 embutida dentro da superfície Si, e a superfície Si, como determinado utilizando UHV-AFM.

5. Medição de Propriedades Nanomechanical por simulação MD

Nota: Na seção de simulação, OVITO 16 (visualizati open-sourceem software) e, OSSD 17 (banco de dados Estrutura aberta de superfície) são usados para criar o modelo de simulação e visualização dos resultados. LAMMPS 14 (um open-source dinâmica molecular (MD) pacote de simulação) é empregado para realizar a simulação nanoindentação e analisar os resultados da simulação 15. Todos os trabalhos de simulação são realizados com computação paralela na avançada em larga escala Superaglomerado Paralela (ALPS) da NCHC.
NOTA: Para estudar o / Si heterojunction substrato C 84 monocamada usando a simulação MD, deve-se preparar um modelo de simulação por várias etapas para obter um ambiente descontraído C 84 monocamada incorporado no substrato de Si. Note-se que é difícil gerar uma exactamente a mesma estrutura a partir dos dados experimentais, devido à complexa da estrutura inter entre 84 C monocamada e Si (111) do substrato heterojun�o. Como resultado, nós usamos uma forma artificial para gerar o modelo de simulação com diversas etapas do procedimento,que está ilustrado na Figura 5. Os detalhes são descritos nos seguintes protocolos. Nós descrevemos como configurar o parâmetro de DM em LAMMPS, estabelecer um ambiente descontraído C 84 monocamada fulereno incorporado em um substrato, executar um procedimento de recuo, e analisar os resultados da simulação.

  1. Parametrização no LAMMPS entrada de arquivo
    1. Use o comando de limite para definir as condições de contorno periódicas no X e Y.-direções.
    2. Usar o comando "velocidade de correcção" para atribuir a velocidade inicial com uma distribuição de Gauss em cada átomo do sistema, de forma aleatória.
    3. Use "consertar pair_style" comando para atribuir Tersoff 18 e AIREBO 19 potenciais para descrever a interação Si-Si e Si-C ea interação CC, respectivamente.
    4. Use "correção nvt" e "corrigir TNP" comando para adotar o método nariz-Hoover 20 para garantir o sistema permanece na temperatura desejada e pressão para geneclassificar um conjunto canónico e isotérmica-isobárica 20, em que o sistema o algoritmo de velocidade-Verlet 20 é utilizado para prever as trajectórias dos átomos. Use ambos "correção nvt" e "run" comandos para definir uma taxa de arrefecimento de 3 K / psec para o processo de recozimento.
    5. Use o comando "timestep" para definir um intervalo de tempo de 0,2 FSEC como a integração tempo.
    6. Use "consertar parede / refletir comando" para adotar uma parede refletida para limitar o grau de liberdade (5.3.2).
    7. Use "região" e "grupo" para dividir o substrato em diferentes níveis de controlo (5.4.3): camada átomo newtoniana, uma camada de controle térmico, e uma camada fixa inferior, que pode ser configurado usando a "correção nve", " corrigir nvt ", e" corrigir comandos setforce ", respectivamente.
    8. Use "região" e "create_atoms" comandos para criar uma sonda esférica.
    9. Use o comando "correção move" para incorporar a monocamada de C84 no substrato (5,4.2) e mover a sonda durante a simulação (5.5.2).
    10. Use o comando "run" para executar a simulação MD.
    11. Use "força de computação" (5.6.1) e "estresse computação / atom" (5.6.4) comandos para avaliar a força de estresse e recuo atômica.
      NOTA: No seguinte, salvo o estabelecimento estrutura, todas as etapas foram feitas pelo script LAMMPS.
  2. Use OSSD e OVITO para Preparação de silicone (111) 7 x 7 Surface.
    1. Ligue o software OSSD. Clique no botão "Pesquisar". "Critérios de pesquisa" painel é apresentado. Escolheu substrato de Si, tipo elementar, estrutura reconstruída, elec semicondutores, estrutura de diamante, 111 rosto e 7 x 7 padrão. Clique nos botões "Procurar" e "Aceitar". "Lista Estrutura" painel é apresentado. Clique a estrutura desejada (isto é, Si (111) de 7 x 7). Clique no botão "Arquivo". Salve o arquivo de coordenação, conforme .xyz arquivo.
      ATENÇÃO: Nós salientar que a estruturalbanco de dados extraídos de OSSD não é grande o suficiente para a nossa simulação de recuo. Como um resultado, nós reconstruir um substrato maior e mais espesso pelos seguintes passos.
    2. Ligue o software OVITO. Carregar o arquivo .xyz em OVITO. Use o comando "fatia" para capturar um supercell do Si (111) 7 x 7 superfície com tamanho de 26,878 x 46,554 Å 2 em x e direção y. Exportar o arquivo de dados. Use o comando "fatia" para capturar um supercell do substrato de fundo Si (111) com o tamanho de 26,878 x 46,554 x 9.7 a 3. Use o comando "Mostrar imagens periódicas" para duplicar o supercell 12 vezes na direção z. Exportar o arquivo de dados.
    3. Combine os arquivos de dados de Si (111) 7 x 7 superfície ea Si (111) modelos de substrato pelo Notepad ++ (um editor livre de código-fonte). Finalmente, carregar os dados combinados em OVITO. Use "Mostrar imagens periódicas" para duplicar um supercell 5 x 3 em direções xey para ampliar o tamanho do substrato.
    4. Use LAMMPS para executar uma 20 PSECtempo de simulação MD para relaxar o modelo de simulação. Em seguida, executar um processo de têmpera de 1.550 K a temperatura ambiente durante 500 tempo de simulação psec. Finalmente, execute um tempo de simulação 10 psec para o processo de relaxamento final.
  3. Preparação de C 84 Fullerene monocamada
    1. Baixe o arquivo de coordenação da estrutura otimizada de C 84 fulereno da web 21 e escrever um programa Fortran para replicar 49 C 84 fulerenos dispostos em uma estrutura de favo de mel.
    2. Use LAMMPS a configuração reflectir paredes em cima e em baixo a monocamada de C 84 para assegurar que as moléculas de ficar em um plano. Executar um tempo de simulação MD para 200 psec para relaxar o modelo de simulação. No que se segue, executar um processo de têmpera de 700 K à temperatura ambiente para se obter um estado mínimo de tempo de simulação glob 500 PSEC. Finalmente, execute um tempo de simulação 10 psec para o processo de relaxamento final.
  4. Estabelecer a IndentaModelo ção de C 84 Fullerene monocamada em Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Escrever um código Fortran para estabelecer o C 84 monocamada na Si x 7 a superfície (111) 7 com distância de 3 Å para estabelecer o modelo de recuo.
    2. Use LAMMPS para incorporar a monocamada de C 84 para o substrato com a profundidade de 2 ~ 3 Å. Em seguida, executar um tempo de simulação 40 psec para o relaxamento do sistema. Finalmente, recozer o sistema até à temperatura ambiente.
    3. Dividir o substrato de silício em um átomo de camada superior newtoniano, uma camada de controlo térmico, e uma camada inferior fixo, que são 0,7, 2, e 5,3 nm de espessura, respectivamente. Os C 84 monocamadas também foram modelados como um átomo newtoniana.
  5. Processo de recuo do MD
    1. Use LAMMPS para criar uma sonda esférica com 5 nm de diâmetro sobre a superfície Si modo C 84 / (111) de 7 x 7 (Figura 5). A sonda é definido como um corpo rígido. Especificar uma velocidade constante de 10 m / seg sobre o PRObe se mova para baixo na direção da amostra no processo de recuo.
    2. Mover a sonda para baixo, para a amostra a uma velocidade constante até que a profundidade de carregamento específico (isto é, incluindo os casos de 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20, e 30 por forma a explorar o efeito da C 84 fulerenos monocamada sobre o substrato de Si, em que o tamanho de 84 C fulereno é 11-a) no processo de carregamento. Manter a sonda no substrato no processo de retenção para permitir o relaxamento dos átomos. Finalmente, extrair a sonda do substrato a uma velocidade constante no processo de retracção.
  6. Cálculo e Análise
    1. Calcular a força de recuo pela soma da força vertical de átomos na sonda de acordo com as seguintes fórmulas:
      Equação (1)
    2. Extraiu-se o módulo de rigidez reduzida e a partir da curva de força-distância de recuo. Com base em Oliver e Pharr & #39; s 22 método, uma relação linear pode ser obtido entre o módulo de Young e a rigidez descarga. A rigidez (isto é, o declive da parte inicial) da curva de descarga é definida como
      Equação (2)
      em que P, H, A, E e R são a carga de indentação, o deslocamento elástico da sonda, a área projectada da indentação, e módulo reduzida. β (= 1 para penetrador circular) é o factor de forma de modificação. A relação entre o módulo de elasticidade reduzida e o módulo de Young pode ser escrito como
      Equação (3)
      onde E e v são o módulo de Young e coeficiente de Poisson para o espécime e E i e v i são o módulo de Young e coeficiente de Poisson para o penetrador.
    3. Calcule a dureza pela definição de H = P maX / A, em que P max e A são a força máxima de recuo e área projectada da sonda.
    4. Calcular o stress atómica virial 22 no plano M de substrato no N por -Direção
      Equação (4)
      em que m é a massa do átomo de I; Equação e Equação são as componentes de velocidade de átomo de i na - m e n, respectivamente -directions; i V é o volume em torno do átomo designado i; s N é o número de partículas contidas dentro da região S, em que S é definido como a região de interacção atómica ; Φ (rij) é a função potencial; rij é a distância entre átomos i e e Equação são o m - e n -Direção componentes do vector a partir de átomo de i ao átomo j.
    5. Use OVITO para mostrar a tensão von Mises-invariante de cada átomo de acordo com as seguintes fórmulas:
      Equação (5)

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Representative Results

Uma monocamada de C 84 moléculas de um (111) da superfície desordenada Si foi fabricado usando um processo de auto-montagem controlada numa câmara de UHV Figura 1 mostra uma série de imagens topográficas medidos por UHV-STM com vários graus de cobertura:. (A) 0,01 mL, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml, e (d) 0,9 ml. As propriedades electrónicas e ópticas do C 84 incorporado substrato de Si também foi investigada usando uma variedade de técnicas de análise de superfície, tais como STM e PL (Figura 2). As excelentes propriedades do material das amostras resultantes demonstram como a nanotecnologia pode ser utilizado para o controle da matéria na atómica e nano-escala. Os MFM e SQUID resultados na Figura 3 mostram o magnetismo superfície do substrato 84 C incorporado. A Figura 4 apresenta os resultados de UHV-AFM que se referem aos nanomecânica de substrato proposto. Os resultados experimentais demonstram o potencial da C 84 Figura 4).

Na seção de simulação, todos os procedimentos são concluídos usando LAMMPS para executar as simulações de DM. As propriedades mecânicas (força de tensão e de recuo contacto) do substrato fulereno incorporado é calculado e mostrado na Figura 6. A análise estirpe de von Mises-átomos no passo de tempo diferentes são usados para caracterizar a deformação local. Os instantâneos correspondentes como uma função da profundidade de penetração pode ser visto nas inserções da Figura 6, os quais foram calculados e visualizados por OVITO. Os resultados de força de recuo como uma função da profundidade de penetração são utilizados para calcular a dureza H (Figura 7a), reduzido módulo de elasticidade E <sub> R (Figura 7b), o carregamento e rigidez S (Figura 8) da monocamada de 84 C. Os resultados podem ser comparar com o determinado por ensaio e proporciona um ponto de vista mais detalhe para interpretar a variação da propriedade mecânica.

figura 1
Figura 1: C 84 incorporado substrato de Si com cobertura diferentes séries de imagens topográficas MCT (40 x 40 nm 2) mostrando C 84 moléculas adsorvidas sobre Si (111) a superfície de um viés amostra negativa de 2 V, tal como medido por UHV-STM. com vários graus de cobertura: (a) 0,01 ml, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml, e (d) 0,9 ml.

Figura 2
Figura 2: propriedades eletrônicas medições em C 84 Incorporado substrato de Si (a) IV curvas e diferencial condutância derivado (DI / DV) vs a curva de tensão de uma única camada de auto-montagem de C 84, conforme determinado pelo UHV-STM. ; (B) Emissão de campo densidade de corrente vs curva de campo elétrico; (C) Correspondente FN lote de superfície com incorporado C 84, medida usando uma unidade de fonte-medida; (D) espectro de fotoluminescência de camada única de auto-montagem de C 84. Re-impressão com a permissão de referência de 12. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3: magnetismo de superfície na C 84 Incorporado substrato de Si (a) imagem MFM de substrato de Si incorporado com C 84.; (B) circuito de magnetização conspiraram contra campo magnético externo Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Substrato Nanomechanical investigação sobre C 84 Incorporado Si análise Força distância da superfície Si desordenada, 7 x 7 superfície, camada única auto-montados de C 84 embutido dentro da superfície Si, e a superfície Si, como determinado usando UHV-AFM: Figura 4.. Re-imprimir com a permissão de referência 11. Por favor clique aquipara ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5: Fluxograma para o estabelecimento de modelo de simulação A dramática ilustrar a definição na simulação MD a partir de uma única camada C 84 e Si (111) 7 x 7 superfície a uma C 84 monocamada embutir em Si (111) 7 x 7 modelo.. Os procedimentos de detalhes podem ser vistos no ponto 5 do protocolo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6: força de recuo e da força de contato estresse análise recuo (preto) e Contacto estresse (azul) do C 84, em função da profundidade de penetração.. inserçõesmostrar os instantâneos correspondentes, onde a cor diferente indica o correspondente tensão von Mises (ε VM) de todos os átomos. Para limpar exibir a localização de deformações, apenas os átomos com vM ε> 0,08 são mostrados no instantâneo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7:.. Dureza e análise módulo reduzida (a) Dureza e (b) reduziu a variação do módulo em função da profundidade de penetração para a monocamada C 84 sobre a superfície Si Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 8: Análise rigidez carregar. Carregando rigidez como uma função da distância determinada por meio de simulações MD em comparação com experiências que por AFM para C 84 / Si. Modificado de referência 16. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Neste estudo, demonstra a fabricação de uma monocamada auto-montada de 84 C sobre um substrato de Si através de um novo processo de recozimento (Figura 1). Este processo também pode ser usado para preparar outros tipos de substratos semicondutores embebidos em nanopartículas. A C 84 -embedded substrato de Si foi caracterizado na escala atômica utilizando UHV-STM (Figura 2), espectrômetro de emissão de campo, espectroscopia de fotoluminescência, MFM e SQUID (Figura 3).

A força de adesão que corresponde a propriedades nanomechanical (isto é, stress) do C 84 -embedded substratos de Si pode ser medida utilizando AFM (Figura 4). Os nossos resultados demonstram que a dureza do proposto C 84 -embedded substrato de Si é comparável à das superfícies de SiC e Si, que a torna aplicável como um material abrasivo para ferramentas, bem como uma película em dispositivos MEMS corte.

jove_content "> Na secção de simulação, a análise da estirpe de von Mises (ε VM) é capaz de detectar a deformação local da estrutura atómica, o que é muito difícil de ser observada na experiência. No entanto, não é possível caracterizar a transformação de fase. aqui, sugerimos alguns índices úteis, tais como número de coordenação e índice de HA 23 para examinar a transformação de fase. na configuração do modelo de recuo, temos de salientar que o tamanho do substrato em direcção plano deve ser pelo menos três vezes maior que o diâmetro da sonda para eliminar o efeito tamanho e a limitação condição de contorno, o que afetaria a dinâmica e fluxo de força de átomos.

Além disso, devido ao limite de tempo de simulação MD, para estudar o processo de recuo, a sonda deve exercer a amostra com uma velocidade muito rápida em comparação com a no experimento. Notamos que tal velocidade de carregamento é muito alta para sair do longo tempo emcomportamento de difusão e migração mico, mas ainda é adequado para observar e descrever o comportamento de deformação e propriedades do material plástico sob carga mecânica 24, porque os resultados podem ser reconhecidos como aproximadamente quase estática na natureza 25. Uma teoria alternativa, nomeados dinâmica de réplica paralela (PRD) 26, foi desenvolvido para acelerar substancialmente o tempo de simulação, mas exige recursos de computação pesados.

Os dados obtidos a partir do estudo de simulação MD está de acordo com a experiência AFM recuo (Figura 8); Além disso, a dureza e módulo reduzida do C 84 -embedded substrato de Si são comparáveis a outros substratos de Si. Estes dados sugerem que C 84 -embedded substratos de Si pode ter impactos significativos na optoeletrônica e diluir semicondutores magnéticos nanodispositivos (DMS).

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Disclosures

Os autores não têm nada para revelar.

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

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References

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Engenharia Edição 115 Fullerene C Substrato de Si eletrônica o magnetismo de superfície dinâmica molecular microscopia de varredura por sonda nanomecânica propriedade mecânica nanoindentação física
sondagem C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrato utilizando Scanning Probe Microscopy e Dinâmica Molecular
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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).

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