C 프로빙

본 연구의 목적은 C84가 내장된 실리콘 기판 이종접합을 제작하고, 이후 분석을 통해 결과 물질의 전자적, 광전자적, 기계적, 자기적 및 전계 방출 특성에 대한 포괄적인 이해를 얻는 것입니다. 나노 물질은 재료 혁신의 주요한 흐름을 형성하고 있습니다. 주사 프로브 현미경(scanning probe microscope)을 활용하여 표면 나노 구조의 특성을 충분한 해상도로 식별할 수 있을 것입니다.

분자 동역학 시뮬레이션을 통해 압입 과정의 유형별, 원자 및 기계적 거동을 관찰할 수 있습니다. 모든 시뮬레이션은 NCHC의 슈퍼클러스터 ALPS에서 병렬 컴퓨팅으로 수행되었으며, 모든 실험 작업은 NCHU의 나노과학 연구실에서 이루어졌습니다. 절차를 시연할 사람은 저희 그룹의 Che-Fu, Pei-Fang, Ya-Chi, Wei-Pin입니다.

먼저, 실리콘 111 기판에 용매를 처리한 후 초고진공 시스템에서 가열하여 기판 표면의 산화층과 불순물을 제거하는 세척 과정을 수행합니다. 실리콘 표면에 C84를 증착하기 위해, 불순물의 가스 배출을 촉진하도록 외부 전원 공급 장치와 가열 필라멘트를 통해 Castle 증착기를 500 °C로 예열합니다. 그 다음, Castle 용기에 C84 나노입자를 로딩합니다.

그 다음, Castle을 650 °C로 저항 가열하여 C84 나노입자를 기화시킵니다. 이제 5 × 10⁻⁸ Pa 미만의 압력으로 제어되는 밸브를 통해 C84 나노입자를 직선으로 증착시켜 실리콘 기판에 충돌하게 합니다. 이어서, 1 × 1 구조를 얻기 위해 초고진공 시스템 내의 ALBA 실리콘 111 기판을 900 °C에서 예열합니다.

기판 표면에 C84 나노입자를 증착하기 위해 온도를 650 °C로 낮추고 30분 동안 유지합니다. ALBA 실리콘 기판에서 약 750 °C로 12시간 동안 유지하며, 이 과정 동안 분말 형태의 C84 나노입자가 실리콘 111 기판 표면에서 매우 균일한 풀러렌 배열로 자가 조립됩니다. 이 단계가 완료되면, C84가 내장된 실리콘 기판을 주사 프로브 현미경(scanning probe microscopy, SPM) 시료 홀더에 놓습니다.

시료를 교환 챔버에서 시료 준비 챔버로 이동시킵니다. 홀더를 UHV-STM 스캐닝 헤드 시스템에 삽입하고 시료를 관찰 챔버로 이동시킵니다. 그다음, 인가된 시료 바이어스를 -5 V에서 5 V까지 스윕합니다.

다음으로, 원자 분해능으로 터널링 전류 아이(tunneling current eye)를 측정하기 위해 IV 측정 항목을 클릭하십시오. 측정을 위해 C84가 내장된 실리콘 기판에서 최소 20곳의 특정 위치를 선택하십시오. 밴드갭 에너지를 측정하려면 텍스트 프로토콜에 표시된 표면에서 앞서 설명한 대로 IV 곡선을 얻으십시오.

그 후, C84가 임베딩된 실리콘 기판을 전계 방출(field emission, FE) 샘플 홀더에 놓습니다. 홀더를 FE 분석 챔버에 삽입합니다. 그런 다음, FE 측정을 위해 챔버를 약 5 × 10⁻⁵ pascal의 압력으로 진공 상태로 만듭니다.

기판에 인가되는 전압을 100에서 1,100V까지 수동으로 증가시키십시오. 전류 증폭기가 장착된 고전압원 측정 장치를 사용하여 인가 전압에 따른 필드 방출 전류를 측정하십시오. 그런 다음, 테스트 기판을 광 방출 측정 시스템의 샘플 챔버 중앙에 배치하십시오.

그런 다음, 325 nanometer 방출 파장을 가진 헬륨-카드뮴 레이저 광원을 초점으로 맞춥니다. 분광계를 설정한 후, 방출되는 광자를 수집 및 분석하여 광루미네선스 스펙트럼을 획득합니다. 자기력 현미경(MFM) 측정 또는 자기력 분광법을 수행하기 전, 약 2 kilo oersted 강도의 자석을 적용하여 C84가 내장된 실리콘 기판 샘플을 자화시킵니다.

자화된 시료를 MFM 시료 스테이지 위에 놓은 후, 시료 표면에 수직으로 자화를 가한 상태에서 리프트 모드 MFM을 사용하여 실리콘 기판 내에 매립된 자기 도메인 속 풀러렌의 미세 구조를 관찰합니다. 이어서, SQUID 실험 전 약 2 kilo oersted의 자기장 강도를 가진 자석을 사용하여 C84가 매립된 실리콘 기판 시료와 C84 매립 실리콘 기판 상의 C84 클러스터를 자화시킵니다. 자화된 시료를 SQUID에 넣습니다.

그 다음, 약 2 kilo oersted 범위의 소인 자기장을 인가합니다. 상온에서 SQUID 측정을 통해 외부 자기장에 따른 자화 곡선을 얻습니다. C84가 삽입된 실리콘 기판의 강성을 측정하려면, 먼저 기판 하나를 AFM(원자간력 현미경) 시료 스테이지 위에 놓습니다.

다음으로, 적절한 실리콘 기판으로부터 대기 조건에서의 힘 측정값을 얻습니다. AFM 및 UHV 시스템을 사용하여 이전에 설명한 방법대로 적절한 실리콘 기판으로부터 힘 측정값을 얻습니다. 실리콘 기판을 준비하기 위해 OSSD 소프트웨어를 켭니다.

검색 버튼을 클릭하여 검색 조건 패널을 표시합니다. silicon substrate, elemental type, reconstructed structure, semi-conductor elec, diamond lattice, 111 face 및 seven by seven pattern을 선택합니다. 그런 다음 검색 및 수락 버튼을 클릭하여 구조 목록 패널을 표시합니다.

원하는 실리콘 111 7x7 표면 구조를 클릭하십시오. 그다음 파일 버튼을 클릭하여 좌표 파일을 xyz 파일로 저장하십시오. 이어서 Ovito 소프트웨어를 실행하고 xyz 파일을 불러온 뒤, slice 명령을 사용하여 X 및 Y 방향으로 26.878 by 46.554 angstrom squared의 적절한 크기로 실리콘 111 7x7 표면 구조의 슈퍼셀을 캡처하십시오.

simulation cell 명령어를 사용하여 X 및 Y 방향의 셀 크기를 조정하고 셀을 원점 0으로 이동하십시오. 아핀 변환(affine transformation)을 사용하고 transform matrix를 클릭하여 모델을 법선 방향으로 5.714 angstroms만큼 이동시키십시오. slice 명령어를 사용하여 법선 방향으로 가장 아래쪽의 원자층을 절단하십시오.

데이터 파일을 LAMMPS 형식으로 내보냅니다. LAMMPS 데이터 파일 형식을 사용하면 셀 경계가 정의됩니다. 해당 LAMMPS 형식의 데이터를 Ovito로 다시 불러옵니다.

periodic boundaries 내 wrap 명령을 사용하여 셀 내부의 구조를 재배치하십시오. affine transformation을 사용하고 transform matrix를 클릭하여 모델을 법선 방향으로 84.6 Å만큼 이동시키십시오. simulation cell 명령을 사용하여 Z 방향의 셀 크기를 150 Å로 조정하십시오.

데이터 파일을 LAMMPS 형식으로 내보냅니다. Ovito에서 데이터를 다시 불러옵니다. 주기적 이미지 표시(show periodic images) 기능을 사용하여 X 및 Y 방향으로 5x3 슈퍼셀을 복제함으로써 기판의 크기를 확대합니다.

데이터 파일을 LAMMPS 형식으로 내보냅니다. 적절한 크기의 실리콘 111 슈퍼셀 좌표 파일을 준비한 후, 데이터를 Ovito로 불러옵니다. 'show periodic images' 기능을 사용하여 X, Y, Z 방향으로 5x3x8 슈퍼셀을 복제함으로써 기판의 크기를 확대합니다.

어파인 변환(affine transformation)을 사용하고 변환 행렬을 선택하여 모델을 Z 방향으로 37.6184 angstroms만큼 원점으로 이동시킵니다. 데이터를 LAMMPS 형식의 데이터 파일로 내보냅니다. 텍스트 편집기를 사용하여 silicon 111 seven by seven 표면 모델과 silicon 111 기질 모델의 데이터 파일을 결합합니다.

실리콘 111 7x7 기판 모델이 준비되었습니다. C84 풀러렌 단분자층을 준비하려면, 웹에서 C84 풀러렌의 좌표 파일을 다운로드하십시오. 자체 제작한 프로그램을 사용하여 허니콤 구조로 배열된 7x7 C84 풀러렌을 복제하십시오.

다음으로, 자체 제작한 프로그램을 사용하여 C84 단일층을 silicon 111 seven by seven 표면 위에 3 Å 간격으로 배치합니다. LAMMPS 스크립트에서 load data 명령어를 사용하여 시뮬레이션 모델을 불러옵니다. 그 후, region 및 create atom 명령어를 설정하여 5 nm 직경의 구형 프로브를 생성합니다.

마지막으로, 압입 시뮬레이션을 위한 LAMMPS 입력 스크립트를 준비하고 세부적인 기계적 성질을 계산합니다. 제어된 자기 조립 공정을 통해 무질서한 실리콘 111 표면 위에 C84 분자의 단분자층을 제작하였으며, 다양한 피복도를 가진 UHV-STM 측정 지형 이미지들을 여기에 제시합니다. C84가 내포된 실리콘 기판의 전자적 및 광학적 특성은 STM 및 광루미네선스 분석 기술을 사용하여 조사되었습니다.

시료의 우수한 재료 특성은 나노기술을 통해 원자 및 나노 규모에서 물질을 어떻게 제어할 수 있는지를 보여줍니다. MFM 및 SQUID 결과는 C84가 내포된 기판의 표면 자성을 나타냅니다. UHV-AFM 결과는 C84가 내포된 실리콘 기판이 고온, 고전력, 고주파 응용 분야의 나노전자 소자에서 반도체 탄화물의 대안으로서 가질 수 있는 잠재력을 입증합니다.

또한 자기 및 미세전자기계 시스템에서도 마찬가지입니다. C84가 매립된 기판의 나노인덴테이션에 대한 분자 동역학 시뮬레이션 과정이 여기에 나타나 있습니다. 풀러렌이 매립된 기판의 기계적 특성이 여기에 나타나 있습니다.

압입 깊이에 따른 해당 스냅샷을 여기서 확인할 수 있습니다. 압입 깊이에 따른 압입 힘의 결과는 C84 단층의 경도, 감소 탄성 계수 및 팽창 강성을 계산하는 데 사용됩니다. 나노 물질은 화학적, 물리적, 기계적 특성의 층 단위 구조 덕분에 과학 및 기술 분야에서 획기적인 발전을 가져올 것이라는 인식이 현재 널리 퍼져 있습니다.

단일 층의 풀러렌만으로도 실리콘 기판의 특성을 극적으로 변화시킬 수 있습니다. 본 연구에서 풀러렌이 내장된 실리콘 기판은 물결 모양의 가장자리, 우수한 연료 방출 특성 및 높은 강도를 나타내었으며, 풀러렌의 자성 또한 확인되었습니다. 본 연구에서 제안한 기판이 나노기술의 광범위한 응용 분야에서 더 나은 성능을 발휘할 것으로 믿습니다.

이 영상을 시청한 후에는 표면 자성에 대한 실험 및 시뮬레이션을 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이러한 종합적인 기술의 시연은 연구자들이 물질의 기초 특성을 탐구하는 길을 열어줄 것입니다.