גשוש C

מטרת מחקר זה היא ייצור של צומת הסיליקון של מצע סיליקון עם C84 מוטמע, וניתוח עוקב להשגת הבנה מקיפה של התכונות האלקטרוניות, האופטואלקטרוניות, המכניות, המגנטיות ותכונות פליטת השדה של החומרים שנוצרו. ננו-חומרים המצויים בשימוש מהווים מגמה עולה של מהפכה בחומרים. בעזרת מיקרוסקופ Probe דק נוכל לזהות את מאפייני הננו-מבנים על פני השטח ברזולוציה מספקת.

באמצעות סימולציית דינמיקה מולקולריתית נוכל לנטר את ההתנהגות האטומית והמכנית של תהליך ההחדרה (indentation), התלויה בסוג החומר. כל הסימולציות בוצעו באמצעות מחשוב מקבילי ב-supercluster ALPS של NCHC, וכל עבודת הניסוי בוצעה במעבדה לננו-מדע של NCHU. הגמ demonstration של הפרוצדורות יבוצע על ידי Che-Fu, Pei-Fang, Ya-Chi ו-Wei-Pin מהקבוצה שלי.

ראשית, הכפיפו מצע סיליקון 111 לניקוי הכולל יישום של ממס ולאחריו חימום במערכת ואקום גבוהה במיוחד (ultrahigh vacuum) להסרת שכבת התחמוצת וזיהומים מפני השטח של המצע. עבור השקעת C84 על פני השטח של הסיליקון, חממו מראש מאייד Castle בעזרת ספק כוח חיצוני באמצעות חוטים מחממים ל-500 degrees celsius כדי לעודד שחרור גזים של זיהומים. לאחר מכן, טענו ננו-חלקיקי C84 לתוך מיכל Castle.

לאחר מכן, חממו את ה-Castle באמצעות חימום התנגדי ל-650 °C כדי לאדות את ננו-חלקיקי ה-C84. כעת, אדו את ננו-חלקיקי ה-C84 בקוים ישרים עד שהם פוגעים במצע הסיליקון דרך שסתום מבוקר בלחץ נמוך מ-5 × 10⁻⁸ Pa. לאחר מכן, בצעו חימום מוקדם למצע הסיליקון 111 של ALBA במערכת ואקום גבוהה במיוחד (ultrahigh vacuum) בטמפרטורה של 900 °C כדי לקבל מבני one by one.

הפחית את הטמפרטורה ל-650 degrees celsius למשך 30 דקות לשקיעת ננו-חלקיקי C84 על פני השטח של התשתית. בתשתית סיליקון ALBA בטמפרטורה של כ-750 degrees celsius למשך 12 שעות, במהלכן ננו-חלקיקי C84 באבקה מתארגנים עצמית למערך פולרן אחיד מאוד על פני השטח של תשתית סיליקון 111. בשלב זה, הנח את תשתית הסיליקון המוטמעת ב-C84 על מחזיק דגימות של מיקרוסקופיה בסריקה של גשושית, או SPM.

העבירו את הדגימה מתא החלפה לתא הכנת דגימות. הכניסו את המחזיק למערכת ראש סריקה מסוג UHV-STM והעבירו את הדגימה לתא תצפית. לאחר מכן, סרקו את מתח ההטיה המופעל על הדגימה ממינוס חמישה עד חמישה וולט.

בשלב הבא, לחצו על פריט מדידת ה-IV כדי למדוד את עין זרם המנהרה ברזולוציה אטומית. בחרו לפחות 20 מיקומים ספציפיים על מצע הסיליקון המטמיע C84 לצורך המדידות. כדי למדוד את אנרגיית פער הפס, השגין עקומות IV כפי שתואר קודם לכן מהמשטחים המצוינים בפרוטוקול הטקסט.

לאחר מכן, הניחו את תשת silicon המוטמעת ב-C84 על מחזיק דגימות עבור פליטה שדה, או FE. הכניסו את המחזיק לתא ניתוח ה-FE. לאחר מכן, רוקנו את התא ללחץ של כמעט 5 × 10⁻⁵ pascal לצורך מדידת ה-FE.

העלה ידנית את המתח המופעל על התשתית מ-100 ל-1,100 וולט. מדוד את זרם פליטת השדה התואם כפונקציה של המתח המופעל באמצעות יחידה למדידת מקור מתח גבוה עם מגבר זרם. כעת, מקם את התשתית הנבדקת במרכז תא הדגימות של מערכת למדידת פליטה אופטית.

לאחר מכן, מfקסימו מקור לייזר הליום-קדמיום עם פליטות של 325 nanometer. לאחר הגדרת הספקטרומטר, רכשו את ספקטרום הפוטולומינסנציה על ידי איסוף וניתוח הפוטונים הפולטים. הגנטו דגימות של תשת הסיליקון המכילה C84 לפני ביצוע ספקטרוסקופיה של כוח מגנטי, או מדידות MFM, על ידי החלת מגנט בעוצמת שדה של כ-2 kilo oersted.

לאחר הנחת הדגימה הממוגנטת על משטח הדגימות של ה-MFM,בחנו את המיקרו-מבנה של הפולרן בדומיין המגנטי המוטמע בתוך מצע הסיליקון באמצעות MFM במצב lift, תוך הפעלת מגנטיזציה בניצב לפני השטח של הדגימה. לאחר מכן, מגנטו את דגימות מצע הסיליקון המוטמע ב-C84 ואת אשכולי ה-C84 על מצע הסיליקון המוטמע ב-C84 לפני ניסויי SQUID, על ידי הפעלת מגנט בעוצמת שדה של כ-2 kilo oersted. הניחו את הדגימה הממוגנטת בתוך ה-SQUID.

לאחר מכן, החילו שדה מגנטי סורק בטווח של כ-2 kilo oersted. השגיג את עקומות המגנטיזציה המעובדות מול השדה המגנטי החיצוני במדידות SQUID בטמפרטורת החדר. כדי למדוד את קשיחות מצע הסיליקון שבו מוטמע C84, הניחו תחילה את אחד המצעים על במה של AFM, או מיקרוסקופ אטומי.

בשלב הבא, השג מדידות כוח בתנאי אטמוספירה מתשבתי הסיליקון המתאימים. השג מדידות כוח כפי שתואר בעבר באמצעות AFM ומערכת UHV מתשבתי הסיליקון המתאימים. כדי להכין את תשבית הסיליקון, הפעל את תוכנת ה-OSSD.

לחצו על כפתור החיפוש כדי להציג את לוחת קריטריוני החיפוש. בחרו בתשתית סיליקון (silicon substrate), סוג אלמנטרי (elemental type), מבנה ששוחלף (reconstructed structure), מוליך למחצה (semi-conductor elec), סריג יהלום (diamond lattice), פני 111 (111 face), ותבנית שבע על שבע (seven by seven pattern). לאחר מכן, לחצו על כפתורי החיפוש והאישור כדי להציג את לוחת רשימת המבנים.

לחצו על מבנה פני השטח הרצוי של silicon 111 seven by seven. כעת, לחצו על כפתור הקובץ ושמרו את קובץ הקואורדינטות כקובץ xyz. לאחר מכן, הפעילו את תוכנת Ovito, טענו את קובץ ה-xyz לתוכנה, והשתמשו בפקודת slice כדי ללכוד תא על (super cell) של מבנה פני השטח של silicon 111 seven by seven בגודל המתאים, 26.878 על 46.554 angstrom squared בכיווני X ו-Y.

השתמש בפקודת simulation cell כדי להתאים את גודל התא בכיווני X ו-Y ולהסיט את התא לנקודת הראשית אפס. השתמש בטרנספורמציה אפינית (affine transformation) ולחץ על transform matrix כדי להסיט את המודל 5.714 angstroms בכיוון הנורמלי. השתמש בפקודת slice כדי לחתוך את שכבת האטומים התחתית ביותר בכיוון הנורמלי.

ייצא את קובץ הנתונים בפורמט של LAMMPS. בפורמט קובץ הנתונים של LAMMPS, גבולות התא יוגדרו. טען מחדש את הנתונים בפורמט של LAMMPS לתוך Ovito.

השתמש בפקודת wrap at periodic boundaries כדי לסדר מחדש את המבנה בתוך התא. השתמש ב-affine transformation ולחץ על transform matrix כדי להזיז את המודל 84.6 angstroms בכיוון הנורמלי. השתמש בפקודת simulation cell כדי להתאים את גודל התא ל-150 angstroms בכיוון Z.

ייצאו את קובץ הנתונים בפורמט של LAMMPS. טענו מחדש את הנתונים אל Ovito. השתמשו באפשרות show periodic images כדי לשכפל תא על של חמישה על שלושה בכיווני X ו-Y כדי להגדיל את גודל המצע.

ייצא את קובץ הנתונים בפורמט של LAMMPS. לאחר הכנת קובץ קואורדינטות של תא על (super cell) של סיליקון 111 בגודל המתאים, טען את הנתונים ל-Ovito. השתמש באפשרות show periodic images כדי לשכפל תא על של חמישה על שלוש על שמונה בכיווני X, Y ו-Z כדי להגדיל את גודל התשתית.

השתמש בטרנספורמציה אפינית ובחר מטריצת טרנספורמציה כדי להזיז את המודל לנקודת הראשית בכיוון Z ב-37.6184 angstroms. ייצא את קובץ הנתונים בפורמט של LAMMPS. שלב את קובצי הנתונים של המודלים של פני השטח של silicon 111 שבע על שבע והמצע של silicon 111 באמצעות עורך טקסט.

מודל התשתית של סיליקון 111 שבע על שבע מוכן. להכנת שכבה אחת של פולרן C84, הורד את קובץ הקואורדינטות של פולרן C84 מהרשת. השתמש בתוכנה שפותחה במעבדה כדי לשכפל פולרנים C84 בשבע על שבע המסודרים במבנה דבש.

בשלב הבא, השתמש בתוכנה המיוצרת במעבדה כדי להניח את השכבה האحادית של C84 על פני השטח של סיליקון 111 שבע על שבע במרחק של שלושה angstroms. השתמש בפקודת load data כדי לטעון את מודל הסימולציה בסקריפט LAMMPS. לאחר מכן, הגדר את האזור והשתמש בפקודות create atom כדי ליצור גשש כדורי בקוטר של חמישה nanometers.

לבסוף, הכינו סקריפט קלט של LAMMPS עבור סימולציית ה вдаחקה (indentation) וחשבו את התכונות המכניות המפורטות. שכבה אחת של מולקולות C84 על פני שטח סיליקון 111 לא מסודר יוצרה באמצעות תהליך הרכבה עצמית מבוקר, וכאן מוצגות סדרה של תמונות טופוגרפיות שנמדדו באמצעות UHV-STM בדרגות כיסוי שונות. התכונות האלקטרוניות והאופטיות של תשתית הסיליקון שבה מוטמעות מולקולות C84 נחקרו באמצעות טכניקות ניתוח של STM ופוטולומינסנציה.

תכונות החומר המצוינות של הדגימות מדגימות כיצד ניתן להשתמש בננוטכנולוגיה לשליטה בחומר בקנה מידה אטומי וננומטרי. תוצאות ה-MFM וה-SQUID מראות את המגנטיות השטחית של מצע ששובץ בו C84. תוצאות ה-UHV-AFM מדגימות את הפוטנציאל של מצע סיליקון ששובץ בו C84 כחלופה לקרביד מוליך למחצה במכשירים ננו-אלקטרוניים ליישומים של טמפרטורה גבוהה, הספק גבוה ותדר גבוה.

כמו כן במערכות מגנטיות ומערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות. תהליך סימולציית הדינמיקה המולקולרית של ננו-החדרה (nanoindentation) במצע שבו מוטמע C84 מוצג כאן. התכונות המכניות של המצע שבו מוטמע פולרן מוצגות כאן.

ניתן לראות כאן את תצלומי הרגעים המתאימים כפונקציה של עומק ההחדרה. תוצאות כוח ההחדרה כפונקציה של עומק ההחדרה משמשות לחישוב הקשיות, המודול המופחת וקשיחות הנפיחות של השכבה היחידה של C84. כיום מקובלת התפיסה כי חומרים ננומטריים יביאו להתפתחות רלוונטית במדע ובטכנולוגיה בשל יחידת השכבה של התכונות הכימיות, הפיזיקליות והמכניות.

עם שכבה אחת בלבד של פולרן, ניתן לשנות באופן דרמטי את תכונות תשתית הסיליקון. במחקר שלנו, לתשתית סיליקון שבה מוטמע פולרן יש קצה גלי, תכונות פליטת דלק טובות וחוזק גבוה, ובנוסף הפולרן הוא מגנטי. אני מאמין שהתשתיות המוצעות על ידי יגלו ביצועים טובים יותר במגוון רחב של יישומים בננוטכנולוגיה.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה של אופן ביצוע ניסויים וסימולציות למגנטיות פני שטח. הדגמה של טכניקות מקיפות אלו תסלול את הדרך עבור חוקרים לחקור את התכונות הבסיסיות של חומרים.