Cプロービング

本研究の目的は、C84を埋め込んだシリコン基板ヘテロ接合を作製し、その後の解析を通じて、得られた材料の電子特性、光電子特性、機械的特性、磁気特性、および電界放出特性を包括的に理解することである。ナノ材料は、材料革命の広範なトレンドとなっている。走査型プローブ顕微鏡を用いることで、表面上のナノ構造の特性を十分な分解能で同定することが可能となる。

分子動力学シミュレーションを用いることで、インデンテーションプロセスのタイプ依存的な原子および機械的挙動をモニターすることができます。すべてのシミュレーションはNCHCのスーパークラスターALPSを用いた並列計算で実施し、すべての実験作業はNCHUのナノサイエンスラボで行われました。手順のデモンストレーションを行うのは、私のグループのChe-Fu、Pei-Fang、Ya-Chi、およびWei-Pinです。

まず、シリコン111基板に溶剤を塗布して洗浄し、続いて超高真空システム中で加熱することで、基板表面から酸化層および不純物を除去します。シリコン表面へのC84堆積に向けて、不純物の脱ガスを促進するため、外部電源を用いて加熱フィラメントによりCastle蒸発器を500 degrees celsiusまで予熱します。次に、Castle容器にC84ナノ粒子を充填します。

次に、抵抗加熱を用いてクルーシブルを650 °Cまで加熱し、C84ナノ粒子を蒸発させます。次に、5 × 10⁻⁸ Pa以下の圧力に制御したバルブを介して、C84ナノ粒子を直線的に蒸着させ、シリコン基板に衝突させます。その後、超高真空システム内でALBAシリコン(111)基板を900 °Cでプリアニールし、1 × 1構造を得ます。

温度を650 °Cに下げて30分間保持し、基板表面にC84ナノ粒子を堆積させます。ALBAシリコン基板において約750 °Cで12時間処理すると、その間に粉末状のC84ナノ粒子が自己組織化し、シリコン111基板の表面に高度に均一なフラーレンアレイを形成します。この時点で、C84を埋め込んだシリコン基板を走査型プローブ顕微鏡（SPM）のサンプルホルダーに設置してください。

サンプルを交換チャンバーからサンプル調製チャンバーへ移します。ホルダーをUHV-STMスキャンヘッドシステムに導入し、サンプルを観察チャンバーへ移します。その後、印加するサンプルバイアスを-5 Vから5 Vまでスイープさせます。

次に、IV測定項目をクリックし、原子分解能でトンネル電流のアイ（eye）を測定します。測定のため、C84が埋め込まれたシリコン基板上の任意の箇所を少なくとも20か所選択してください。バンドギャップエネルギーを測定するには、テキストプロトコルで指示された表面から、前述の方法でIV曲線をy取得してください。

その後、C84を埋め込んだシリコン基板を電界放出（FE）試料ホルダーに設置します。ホルダーをFE分析チャンバーに挿入してください。次に、FE測定のため、チャンバー内を約5×10⁻⁵ Paまで真空排気します。

基板に印加する電圧を100Vから1,100Vまで手動で上昇させます。電流増幅器を備えた高電圧ソースメジャーユニットを用いて、印加電圧の関数として、対応する電界放出電流を測定します。次に、試験用基板を光学エミッション測定システムの試料室の中心に配置します。

次に、放出波長325 nanometerのヘリウムカドミウムレーザー光源を焦点合わせします。分光計の設定後、放出される光子を収集・分析し、フォトルミネッセンススペクトルを取得します。磁気力顕微鏡（MFM）測定の前に、約2 kilo oerstedの磁場を持つ磁石を適用し、C84を埋め込んだシリコン基板の試料を磁化させます。

磁化した試料をMFM試料ステージに設置した後、試料表面に垂直な磁化を印加したリフトモードのMFMを用いて、シリコン基板内に埋め込まれた磁区におけるフラーレンの微細構造を観察します。続いて、SQUID実験に先立ち、磁場強度約2 kilo oerstedの磁石を印加して、C84埋め込みシリコン基板およびC84埋め込みシリコン基板上のC84クラスターの試料を磁化させます。磁化した試料をSQUIDに設置します。

次に、約2 kilo oerstedの範囲で掃引磁場を印加します。室温でのSQUID測定により、外部磁場に対する磁化ループを取得します。C84が埋め込まれたシリコン基板の剛性を測定するには、まず基板の一方をAFM（原子間力顕微鏡）のサンプルステージに設置します。

次に、適切なシリコン基板を用いて、大気条件下での力測定を行います。前述の方法に従い、AFMおよびUHVシステムを用いて、適切なシリコン基板から力測定値を取得します。シリコン基板を準備するために、OSSDソフトウェアを起動します。

検索ボタンをクリックして検索条件パネルを表示します。シリコン基板、元素タイプ、再構成構造、半導体電子、ダイヤモンド格子、111面、および7×7パターンを選択してください。次に、検索ボタンと確定ボタンをクリックして、構造リストパネルを表示します。

目的の構造であるシリコン111 7x7表面をクリックします。次に、ファイルボタンをクリックし、座標ファイルをxyzファイルとして保存します。続いて、Ovitoソフトウェアを起動してxyzファイルを読み込み、スライスコマンドを使用して、X方向およびY方向に26.878 by 46.554 angstrom squaredという適切なサイズのシリコン111 7x7表面構造のスーパーセルを切り出します。

シミュレーションセルコマンドを使用して、X方向およびY方向のセルサイズを調整し、セルを原点（ゼロ）に移動させます。アフィン変換を行い、「transform matrix」をクリックして、モデルを法線方向に5.714 angstroms移動させます。スライスコマンドを使用して、法線方向に最も下層の原子層をカットします。

データをLAMMPS形式でエクスポートします。LAMMPSデータファイル形式を使用することで、セル境界が定義されます。その後、LAMMPS形式のデータをOvitoにリロードしてください。

periodic boundaries（周期境界）でラップするコマンドを使用して、セル内の構造を再配置します。アフィン変換を用い、transform matrix（変換行列）をクリックして、モデルを法線方向に84.6 angstromsシフトさせます。simulation cell（シミュレーションセル）コマンドを使用して、Z方向のセルサイズを150 angstromsに調整します。

データをLAMMPS形式でエクスポートします。そのデータをOvitoに再読み込みしてください。「show periodic images」機能を使用して、X方向およびY方向に5×3のスーパーセルを複製し、基板のサイズを拡大します。

データをLAMMPS形式でエクスポートします。適切なサイズのシリコン111スーパーセルの座標ファイルを作成した後、そのデータをOvitoに読み込みます。「show periodic images」機能を使用して、X、Y、Z方向に5×3×8のスーパーセルを複製し、基板のサイズを拡大します。

アフィン変換を使用し、変換行列を選択して、モデルをZ方向に37.6184 angstromsシフトさせて原点に移動させます。データをLAMMPS形式でエクスポートします。テキストエディタを使用して、シリコン111 7×7表面モデルとシリコン111基板モデルのデータファイルを統合します。

シリコン111 7×7基板モデルの準備が完了しました。C84フラーレン単分子層を準備するために、ウェブからC84フラーレンの座標ファイルをダウンロードします。自作のプログラムを使用して、ハニカム構造に配置された7×7のC84フラーレンを複製します。

次に、自作のプログラムを使用して、シリコン 111 7x7 表面から 3 Å の距離に C84 単分子層を配置します。LAMMPS スクリプトの load data コマンドを使用して、シミュレーションモデルをロードしてください。その後、region コマンドで領域を設定し、create atoms コマンドを使用して直径 5 nm の球状プローブを作成します。

最後に、圧入シミュレーション用のLAMMPS入力スクリプトを作成し、詳細な機械的特性を算出します。制御された自己組織化プロセスを用いて、無秩序なシリコン111表面上にC84分子の単層を形成し、さまざまな被覆率でUHV-STMにより測定された一連のトポグラフィー画像にここに示します。C84を埋め込んだシリコン基板の電気的および光学的特性は、STMおよびフォトルミネッセンス分析手法を用いて調査されました。

サンプルの優れた材料特性は、原子およびナノスケールでの物質制御にナノテクノロジーをどのように活用できるかを示しています。MFMおよびSQUIDの結果は、C84を埋め込んだ基板の表面磁性を示しています。UHV-AFMの結果は、高温、高出力、高周波アプリケーション向けのナノ電子デバイスにおいて、C84埋め込みシリコン基板が半導体カーバイドの代替となる可能性を実証しています。

また、磁気および微小電気機械システムにおいても同様です。C84を埋め込んだ基板のナノインデンテーションに関する分子動力学シミュレーションのプロセスをここに示します。フラーレンを埋め込んだ基板の機械的特性をここに示します。

押し込み深さの関数としての対応するスナップショットをここに示します。押し込み深さの関数として得られた押し込み力の結果を用いて、C84単層膜の硬度、低減弾性率、および膨潤剛性を算出します。ナノ材料は、化学的、物理的、および機械的特性の層単位構造により、科学および技術における実用的な発展をもたらすと現在広く認識されています。

フラーレンの単層を1層形成させるだけで、シリコン基板の特性を劇的に変化させることができます。本研究において、フラーレンを埋め込んだシリコン基板は、波状のエッジ、優れた燃料放出特性、および高強度を備えており、さらにフラーレンに磁性があることが分かりました。我々が提案する基板は、ナノテクノロジーのより幅広い応用において、より優れた性能を発揮するものと確信しています。

このビデオを視聴することで、表面磁性の実験およびシミュレーションの実施方法について深く理解することができます。これらの包括的な手法を実演することで、材料の基本的特性を探索する研究者の道が開かれることになります。