probing C

Het doel van deze studie is de vervaardiging van een siliconen substraat-heterojunctie met ingebed C84 en de daaropvolgende analyse om een uitgebreid begrip te krijgen van de elektronische, opto-elektronische, mechanische, magnetische en veldemissie-eigenschappen van de resulterende materialen. Nanomaterialen vormen een stijgende trend in een materiaalrevolutie. Met behulp van een scanning probe microscoop zullen we in staat zijn de kenmerken van nanostructuren op de oppervlakken te identificeren met voldoende resolutie.

Met behulp van moleculaire dynamicasimulaties kunnen we het type-afhankelijke, atomaire en mechanische gedrag van het indentatieproces monitoren. Alle simulaties werden uitgevoerd met parallelle computing in een ALPS-supercluster van NCHC en al het experimentele werk werd verricht in het nanoscience-lab van NCHU. De personen die de procedures demonstreren zijn Che-Fu, Pei-Fang, Ya-Chi en Wei-Pin uit mijn groep.

Onderwerp eerst een silicium 111-substraat aan een reinigingsprocedure waarbij een oplosmiddel wordt aangebracht, gevolgd door verhitting in een ultrahoogvacuümsysteem om de oxidelaag en onzuiverheden van het substraatoppervlak te verwijderen. Voor de depositie van C84 op het siliciumoppervlak dient een Castle-verdampingsapparaat met een externe voeding via verwarmingsfilamenten te worden voorverwarmd tot 500 °C om het ontgassen van onzuiverheden te bevorderen. Laad vervolgens C84-nanodeeltjes in een Castle-container.

Verwarm vervolgens de Castle resistief tot 650 °C om de C84-nanodeeltjes te vaporiseren. Verdampt nu de C84-nanodeeltjes in rechte lijnen tot ze het siliciumsubstraat raken via een gecontroleerde klep bij een druk lager dan 5 × 10⁻⁸ Pa. Pre-anneal daarna het ALBA silicium 111-substraat in een ultra-hoog vacuümsysteem bij 900 °C om de 1x1-structuren te verkrijgen.

Verlaag de temperatuur naar 650 °C gedurende 30 minuten voor de depositie van de C84-nanodeeltjes op het oppervlak van het substraat. In het ALBA-siliciumsubstraat bij ongeveer 750 °C gedurende 12 uur assembleren de gepoederde C84-nanodeeltjes zichzelf tot een zeer uniforme fullereenlaag op het oppervlak van het silicium 111-substraat. Plaats het siliciumsubstraat met ingebedde C84 op dit punt in een monsterhouder voor scanning probe microscopie, of SPM.

Verplaats het monster van de uitwisselingskamer naar een monsterpreparatiekamer. Plaats de houder in een UHV-STM-scankopsysteem en breng het monster over naar een observatiekamer. Varieer vervolgens de aangelegde monsterbias van minus vijf naar vijf volt.

Klik vervolgens op het IV-meetitem om het tunnelstroom-oog met atomaire resolutie te meten. Kies voor de metingen ten minste 20 specifieke locaties op het met C84 geïmpregneerde siliciumsubstraat. Om de bandgap-energie te meten, worden IV-curves verkregen zoals eerder beschreven vanuit de in het tekstprotocol aangegeven oppervlakken.

Plaats vervolgens het C84-ingebedde siliciumsubstraat op een veldemissie- (FE-) monsterhouder. Plaats de houder in de FE-analysekamer. Vacumeer vervolgens de kamer tot een druk van ongeveer vijf keer 10⁻⁵ pascal voor de FE-meting.

Verhoog de aangelegde spanning op het substraat handmatig van 100 naar 1.100 volt. Meet de bijbehorende veldemissie-stroom als functie van de aangelegde spanning met behulp van een hoogspanningsbron-meetunit met een stroomversterker. Plaats vervolgens het testsubstraat in het midden van het monstercompartiment van een optisch emissiemeetsysteem.

Focus vervolgens een helium-cadmium laserbron met emissies van 325 nanometer. Verwerf na het instellen van de spectrometer het fotoluminescentiespectrum door de emitterende fotonen op te vangen en te analyseren. Magnetiseer monsters van het C84-ingebedde siliciumsubstraat voorafgaand aan magnetische krachtspectroscopie, of MFM-metingen, door een magneet met een veldsterkte van ongeveer 2 kilo oersted aan te brengen.

Nadat het gemagnetiseerde monster op de MFM-monstertafel is geplaatst, wordt de microstructuur van het fullereen in het magnetische domein, ingebed in het siliciumsubstraat, geobserveerd met behulp van MFM in lift-modus, waarbij een magnetisatie loodrecht op het oppervlak van het monster wordt aangebracht. Magnetiseer vervolgens monsters van het C84-ingebedde siliciumsubstraat en C84-clusters op het C84-ingebedde siliciumsubstraat voorafgaand aan de SQUID-experimenten door een magneet met een veldsterkte van ongeveer 2 kilo oersted aan te brengen. Plaats het gemagnetiseerde monster in de SQUID.

Breng vervolgens een variërend magnetisch veld aan in een bereik van ongeveer 2 kilo oersted. Verkrijg de magnetisatielussen uitgezet tegen het externe magnetische veld via SQUID-metingen bij kamertemperatuur. Om de stijfheid van het met C84-ingebedde siliciumsubstraat te meten, plaatst u eerst een van de substraten op de monsterhouder van een AFM, of atoomkrachtmicroscoop.

Verkrijg vervolgens krachtmetingen onder atmosferische omstandigheden van de betreffende siliciumsubstraten. Voer de krachtmetingen uit zoals eerder beschreven met behulp van de AFM en een UHV-systeem van de betreffende siliciumsubstraten. Schakel de OSSD-software in om het siliciumsubstraat voor te bereiden.

Klik op de zoekknop om het paneel met zoekcriteria weer te geven. Kies voor silicon substrate, elemental type, reconstructed structure, semi-conductor elec, diamond lattice, 111 face en seven by seven pattern. Klik vervolgens op de zoek- en acceptatieknoppen om het paneel met de structurenlijst weer te geven.

Klik op de gewenste structuur van het silicium 111 zeven-bij-zeven-oppervlak. Klik vervolgens op de bestandsknop en sla het coördinatiebestand op als een xyz-bestand. Start daarna de Ovito-software, laad het xyz-bestand in de software en gebruik het slice-commando om een supercel van de silicium 111 zeven-bij-zeven-oppervlakstructuur vast te leggen met de juiste afmetingen, 26,878 bij 46,554 angstrom² in de X- en Y-richting.

Gebruik het commando simulation cell om de celgrootte in de X- en Y-richting aan te passen en verschuif de cel naar het oorsprongspunt nul. Gebruik de affiene transformatie en klik op transform matrix om het model 5,714 angstroms in de normale richting te verschuiven. Gebruik het slice-commando om de onderste atoomlaag in de normale richting door te snijden.

Exporteer het gegevensbestand in het LAMMPS-formaat. Met het LAMMPS-gegevensbestandformaat worden de celgrenzen gedefinieerd. Laad de gegevens in het LAMMPS-formaat opnieuw in Ovito.

Gebruik het commando wrap at periodic boundaries om de structuur binnen de cel te herordenen. Gebruik affine transformation en klik op transform matrix om het model 84,6 angstroms in de normale richting te verschuiven. Gebruik het commando simulation cell om de celgrootte aan te passen naar 150 angstroms in de Z-richting.

Exporteer het datafile in het LAMMPS-formaat. Laad de gegevens opnieuw in Ovito. Gebruik de functie 'show periodic images' om een supercel van vijf bij drie in de X- en Y-richting te dupliceren om de grootte van het substraat te vergroten.

Exporteer het databestand in LAMMPS-formaat. Nadat een coördinatiebestand van de silicium 111 supercel met de juiste afmetingen is voorbereid, wordt het bestand in Ovito geladen. Gebruik de functie 'show periodic images' om een supercel van vijf bij drie bij acht te dupliceren in de X-, Y- en Z-richting om de grootte van het substraat te vergroten.

Gebruik een affiene transformatie en selecteer de transformatiematrix om het model in de Z-richting 37,6184 angstroms naar het oorsprongspunt te verschuiven. Exporteer het databestand in LAMMPS-formaat. Combineer de databestanden van het silicium 111 zeven-bij-zeven-oppervlak en de silicium 111-substraatmodellen met behulp van een teksteditor.

Het substraatmodel van silicium 111 zeven bij zeven is gereed. Om de C84-fullereen monolayer voor te bereiden, downloadt u het coördinatiebestand van het C84-fullereen van het web. Gebruik een zelfgeschreven programma om zeven bij zeven C84-fullerenen te dupliceren, gerangschikt in een honingraatstructuur.

Gebruik vervolgens een zelfgeschreven programma om de C84-monolaag op het silicium 111 zeven-bij-zeven oppervlak te plaatsen met een afstand van drie angstroms. Gebruik het load data-commando om het simulatiemodel in het LAMMPS-script te laden. Stel daarna de regio in en gebruik create atom-commando's om een sferische probe van vijf nanometer te creëren.

Bereid ten slotte een LAMMPS-invoerscript voor voor de indentatiesimulatie en bereken de gedetailleerde mechanische eigenschappen. Een monolaag van C84-moleculen op een wanordelijk silicium 111-oppervlak is vervaardigd met behulp van een gecontroleerd zelfassemblageproces, en een reeks topografische beelden gemeten met UHV-STM met verschillende graden van bedekking wordt hier getoond. De elektronische en optische eigenschappen van het met C84 geïmpregneerde siliciumsubstraat werden onderzocht met behulp van STM- en fotoluminescentie-analysetechnieken.

De uitstekende materiaaleigenschappen van de monsters tonen aan hoe nanotechnologie kan worden ingezet voor de beheersing van materie op atomaire en nanoschaal. De MFM- en SQUID-resultaten tonen het oppervlaktemagnetisme van het C84-ingebedde substraat. De UHV-AFM-resultaten demonstreren het potentieel van het C84-ingebedde siliciumsubstraat als alternatief voor halfgeleidercarbide in nano-elektronische componenten voor toepassingen met hoge temperatuur, hoog vermogen en hoge frequentie.

Evenals in magnetische en micro-elektromechanische systemen. Het proces van moleculaire dynamicasimulatie van de nanoindentatie van een substraat met ingebed C84 wordt hier getoond. De mechanische eigenschappen van het substraat met ingebed fullereen worden hier getoond.

De overeenkomstige momentopnamen als functie van de indentatiediepte zijn hier te zien. De resultaten van de indentatiekracht als functie van de indentatiediepte worden gebruikt om de hardheid, de gereduceerde modulus en de zwelstijfheid van de C84-monolaag te berekenen. Er is tegenwoordig een wijdverbreid besef dat een nanomateriaal een toepasbare ontwikkeling in de wetenschap en technologie zal teweegbrengen vanwege de laageneenheid van de chemische, fysische en mechanische eigenschappen.

Met slechts één monolaag fullereen kunnen de eigenschappen van het siliciumsubstraat drastisch worden veranderd. In onze studie vertoont het met fullereen geïmpregneerde siliciumsubstraat een golvende rand, goede emissie-eigenschappen voor brandstof en een hoge sterkte, en is het fullereen bovendien magnetisch. Ik ben ervan overtuigd dat onze voorgestelde substraten een betere prestatie zullen leveren in een bredere toepassing binnen de nanotechnologie.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in het uitvoeren van experimenten en simulaties voor oppervlaktemagnetisme. De demonstratie van deze uitgebreide technieken zal onderzoekers de weg vrijmaken om de fundamentele eigenschappen van materialen te verkennen.