Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Sondowanie podłoża krzemowego osadzonego w C84 przy użyciu mikroskopii z sondą skaningową i dynamiki molekularnej

10.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54235

⸱

28 września 2016

 ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje wytwarzanie nanomateriałów z substratu fulerenu Si, które zostało sprawdzone i zweryfikowane za pomocą nanopomiarów i symulacji dynamiki molekularnej.

Streszczenie

Ten artykuł opisuje zaprojektowany przez matrycę substrat Si osadzony w C84, wyprodukowany przy użyciu kontrolowanej metody samomontażu w komorze ultra-wysokiej próżni. Charakterystyki powierzchni krzemu osadzonej w C84, takie jak topografia rozdzielczości atomowej, lokalna gęstość elektronowa stanów, energia przerwy energetycznej, właściwości emisji pola, sztywność nanomechaniczna i magnetyzm powierzchniowy, zostały zbadane przy użyciu różnych technik analizy powierzchni w warunkach ultra wysokiej próżni (UHV), a także w systemie atmosferycznym. Wyniki eksperymentalne wskazują na wysoką jednorodność powierzchni krzemu osadzonego w C84, wytworzonej przy użyciu kontrolowanego mechanizmu nanotechnologii samoorganizacji, co stanowi ważny postęp w zastosowaniu wyświetlacza emisji pola (FED), produkcji urządzeń optoelektronicznych, narzędzi skrawających MEMS oraz w wysiłkach na rzecz znalezienia odpowiedniego zamiennika dla półprzewodników z węglików spiekanych. Metoda dynamiki molekularnej (MD) o potencjale półempirycznym może być wykorzystana do badania nanoindentacji substratu Si osadzonego w C84. Szczegółowy opis wykonywania symulacji MD znajduje się tutaj. Zamieszczono szczegółowe informacje na temat kompleksowego badania nad analizą mechaniczną symulacji MD, takie jak siła wcięcia, moduł Younga, sztywność powierzchni, naprężenie atomowe i odkształcenie atomowe. Naprężenia atomowe i rozkłady odkształceń von-Misesa w modelu wcięć można obliczyć w celu monitorowania mechanizmu deformacji z oceną czasu na poziomie atomowym.

Wprowadzenie

Cząsteczki fulerenu i materiały kompozytowe, które zawierają, wyróżniają się wśród nanomateriałów doskonałymi właściwościami strukturalnymi, przewodnością elektronową, wytrzymałością mechaniczną i właściwościami chemicznymi1-4. Materiały te okazały się bardzo korzystne w wielu dziedzinach, takich jak elektronika, komputery, technologia ogniw paliwowych, ogniwa słoneczne i technologia emisji w terenie5,6.

Wśród tych materiałów, kompozyty nanocząsteczkowe z węglika krzemu (SiC) zyskały szczególną uwagę dzięki swojej szerokiej przerwie energetycznej, wysokiej przewodności cieplnej i stabilności, wysokiej zdolności do przebicia elektrycznego i obojętności chemicznej. Korzyści te są szczególnie widoczne w urządzeniach optoelektronicznych, tranzystorach polowych (MOSFET), diodach elektroluminescencyjnych (LED) oraz zastosowaniach o dużej mocy, wysokiej częstotliwości i wysokich temperaturach. Jednak defekty o dużej gęstości powszechnie obserwowane na powierzchni konwencjonalnego węglika krzemu mogą mieć szkodliwy wpływ na strukturę elektronową, prowadząc nawet do awarii urządzenia7,8. Pomimo tego, że zastosowanie SiC jest badane od 1960 roku, ten konkretny problem pozostaje nierozwiązany.

Celem tego badania było wytworzenie heterozłącza Si z osadzonym w C84 substratem i późniejsza analiza, aby uzyskać kompleksowe zrozumienie właściwości emisji elektronicznej, optoelektronicznej, mechanicznej, magnetycznej i pola powstających materiałów. Poruszyliśmy również kwestię wykorzystania symulacji numerycznej do przewidywania charakterystyki nanomateriałów poprzez nowatorskie zastosowanie obliczeń dynamiki molekularnej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: W artykule opisano metody zastosowane w tworzeniu samoorganizującej się macierzy fulerenów na powierzchni podłoża półprzewodnikowego. W szczególności przedstawiamy nową metodę przygotowania podłoża krzemowego z zatopionymi fulerenami do zastosowania jako emiter polowy lub podłoże w mikroelektromechanicznych systemach (MEMS) oraz urządzeniach optoelektronicznych w zastosowaniach wysokotemperaturowych i wysokomocowych, a także w urządzeniach wysokoczęstotliwościowych9-13.

1. Tworzenie warstwy nadnarastającej C84 o heksagonalnym zwarcie upakowaniu (HCP) na podłożu krzemowym (Si)

  1. Przygotowanie czystego podłoża Si(111)
    1. Poddać podłoże Si czyszczeniu RCA (Radio Corporation of America), polegającemu na zastosowaniu rozpuszczalnika, a następnie ogrzewaniu w systemie ultrawysokiej próżni w celu usunięcia warstwy tlenków i zanieczyszczeń z powierzchni podłoża (patrz materiały uzupełniające).
      UWAGA: W niniejszym tekście termin „system UHV-ultra wysoka próżnia” odnosi się do próżni poniżej 1 x 10-8 Pa stosowanej podczas przygotowania Si(111).
  2. Osadzanie C84 na powierzchni krzemu za pomocą odparowania termicznego w systemie UHV
    1. Wstępnie podgrzać parowar K-cell z zewnętrznym zasilaniem poprzez włókna grzejne do 500 °C w celu wspomagania odgazowania zanieczyszczeń.
    2. Wprowadzić nanocząsteczki C84 do pojemnika K-cell. Ogrzać rezystancyjnie K-cell do 650 °C. Odparować nanocząsteczki C84 w taki sposób, aby nanocząsteczki C84 w pojemniku utworzyły opary. Odparowywać nanocząsteczki C84 w liniach prostych, aż nanocząsteczki uderzą w podłoże Si poprzez zawór regulacyjny przy ciśnieniu poniżej 5 x 10-8 Pa.
  3. Osadzanie cząsteczek C84 w powierzchni Si poprzez mechanizm samoskładania
    1. Wstępnie wyżarzyć podłoże Si(111) w systemie ultrawysokiej próżni w temperaturze 900 °C w celu uzyskania struktur (1x1). Obniżyć temperaturę do 650 °C na 30 min w celu osadzenia nanocząsteczek C84 na powierzchni podłoża.
    2. Wyżarzyć podłoże Si w temperaturze ~750 °C przez 12 h, podczas czego proszkowe nanocząsteczki C84 samoorganizują się w wysoce jednorodną macierz fulerenową na powierzchni podłoża Si(111).
      UWAGA: W niniejszym tekście termin „wysoce jednorodna macierz fulerenowa” odnosi się do równomiernego rozkładu fulerenów na podłożu, w którym większość nanocząsteczek jest zorientowana w zwartym układzie prostopadłym do powierzchni podłoża. Taka konfiguracja pomogła zapewnić, że wysokość pionowa macierzy fulerenowej była w zasadzie identyczna we wszystkich próbkach.

2. Pomiary właściwości elektronicznych podłoża krzemowego z osadzonym C84

  1. Pomiar lokalnej gęstości stanów elektronowych przy użyciu skaningowej mikroskopii tunelowej w ultrawysokiej próżni (UHV-STM)
    1. Pomiar charakterystyk I-V dla konkretnych atomów przy użyciu UHV-SPM
    2. Umieść podłoże Si z zatopionymi cząsteczkami C84 na uchwycie próbek SPM. Wprowadź uchwyt do systemu głowicy skanującej UHV-STM (skaningowy mikroskop tunelowy). Zmieniaj przyłożone napięcie polaryzacji próbki w zakresie od -5 V do 5 V.
    3. Kliknij element pomiaru „I-V”, aby zmierzyć prąd tunelowy I z rozdzielczością atomową. Wybierz co najmniej 20 konkretnych lokalizacji na podłożu Si z zatopionymi cząsteczkami C84 do przeprowadzenia pomiarów. Oblicz średnią wartość prądu tunelowego I dla tych 20 lokalizacji. Wyznacz I jako funkcję napięcia. Wykreśl charakterystyki I-V.
    4. Oblicz pochodną I(V) względem V. Przekształć charakterystyki I-V na dI/dV jako funkcję napięcia, aby określić lokalny stan elektronowy podłoża Si z zatopionymi cząsteczkami C84.
  2. Pomiar energii przerwy energetycznej
    1. Uzyskaj charakterystyki I-V zgodnie z procedurami opisanymi w punktach 2.1.2 i 2.1.3 dla następujących obiektów: powierzchnia Si(111)-7x7, powierzchnia Si(111)-1x1, pojedyncze nanocząstki C84 na Si, klastry 7-19 C84 na Si, klastry 20-50 C84 na Si oraz monowarstwa C84 zatopiona w powierzchni Si.
    2. Oblicz pochodną I(V) względem V. Przekształć charakterystyki I-V na krzywe dI/dV, aby zmierzyć różnice energii HOMO-LUMO (określane jako energia przerwy energetycznej) w każdej lokalizacji pomiarowej, jak pokazano na Ryc. 2a.
  3. Wyznaczenie właściwości emisji polowej (FE)
    1. Umieść podłoże Si z zatopionymi cząsteczkami C84 na uchwycie próbek FE. Wprowadź uchwyt do komory analizy FE. Odsysaj powietrze z komory do osiągnięcia ciśnienia około 5 x 10-5 Pa w celu przeprowadzenia pomiaru FE.
      UWAGA: Podłoże krzemowe z zatopionymi cząsteczkami C84 pełniło funkcję katody, a sonda miedziana o przekroju poprzecznym ~0,71 mm2 pełniła funkcję anody. Odległość między katodą a anodą wynosiła około 590 µm.
    2. Ręcznie zwiększaj napięcie przyłożone do podłoża od 100 V do 1100 V. Zmierz odpowiadający temu prąd emisji polowej jako funkcję przyłożonego napięcia, korzystając z jednostki pomiarowej źródła wysokiego napięcia z wzmacniaczem prądowym.
    3. Oblicz korelację emisji polowej Fowlera-Nordheima dla pracy wyjścia ~5 eV, jak pokazano na Ryc. 2b.
    4. Wyznacz geometryczny współczynnik wzmocnienia pola (β) według wzoru: F(pole) = β(V/d), gdzie wartość β wynosi około 4383.
    5. Wyznacz pole przebicia elektrycznego w próżni na podstawie nachylenia wykresu logarytmu naturalnego (J/E2) w funkcji (1/E), co dla podłoża Si z zatopionymi cząsteczkami C84 dało wartość ~4,0 x 106 V/cm, jak pokazano na Ryc. 2c.
  4. Właściwości optoelektroniczne
    1. Przenieś podłoże testowe do systemu pomiaru emisji optycznej. Skupuj wiązkę z laserowego źródła He-Cd o długości fali emisji 325 nm na podłożu znajdującym się w centrum komory z próbką. Ustaw spektrometr w odpowiedniej pozycji. Użyj spektrometru do zarejestrowania widma fotoluminescencji poprzez zbieranie i analizę emitowanych fotonów. Wynik optoelektroniczny przedstawiono na Ryc. 2d.

3. Pomiary magnetyzmu powierzchniowego

  1. Uzyskanie topografii MFM (mikroskopii sił magnetycznych).
    1. Przed pomiarami MFM namagnesować próbki Si z zatopionym C84, przykładając magnes o natężeniu pola wynoszącym około 2 kOe.
    2. Umieścić namagnesowaną próbkę na stoliku pomiarowym MFM. Kliknąć element „Obtain MFM topography”. Obserwować mikrostrukturę fulerenu w domenie magnetycznej zatopionej w podłożu Si, wykorzystując MFM w trybie lift mode z przyłożeniem namagnesowania prostopadle do powierzchni próbki.
    3. Do pomiarów MFM użyć nano-skalowego wspornika PPP-MFMR (Rysunek 3a). Określić magnetyzm powierzchni: topografia MFM będzie ciemniejsza (jaśniejsza), gdy moment magnetyczny końcówki jest skierowany w tym samym (przeciwnym) kierunku co moment podłoża.
  2. Pomiar SQUID (superprzewodzącego kwantowego interferometru)
    1. Przygotować monowarstwę podłoża Si z zatopionym C84 oraz klastry C84 na podłożu Si z zatopionym C84.
    2. Przed eksperymentami SQUID namagnesować próbki Si z zatopionym C84 oraz klastry C84 na podłożu Si z zatopionym C84, przykładając magnes o natężeniu pola wynoszącym około 2 kOe.
    3. Umieścić próbkę w SQUID. Przyłożyć zmienne pole magnetyczne w zakresie ~2 kOe. Uzyskać pętle namagnesowania wykreślone w funkcji zewnętrznego pola magnetycznego w pomiarach SQUID w temperaturze pokojowej.
      UWAGA: Typową krzywą M-H dla materiału ferromagnetycznego można uzyskać tak, jak pokazano na Rysunku 3b.

4. Pomiar właściwości nanomechanicznych za pomocą AFM

UWAGA: Mikroskopia sił atomowych (AFM) stanowi potężne narzędzie do charakterystyki właściwości materiałowych i mechanicznych w skalach mikro- i nanometrycznych, zarówno w powietrzu, jak i w środowisku UHV

  1. Pomiar sztywności podłoża Si z osadzonym C84 w warunkach atmosferycznych
    1. Umieścić podłoże na stoliku próbek AFM. Przesunąć ostrą końcówkę nad podłożami za pomocą skanera. Monitorować przemieszczenia końcówki jako miarę sił oddziaływania między końcówką a próbką. Rejestrować ruchy dla wielu odległości końcówka-próbka w kierunku pionowym w określonej pozycji, klikając element „force measurement”.
    2. Wykonać pomiary siły za pomocą AFM w warunkach atmosferycznych dla podłoża Si oczyszczonego metodą RCA z warstwą tlenku naturalnego o grubości 2-3 nm, a także dla podłoża Si z osadzonym C84 oraz podłoża Si pokrytego cienką warstwą SiC.
    3. Za pomocą oprogramowania AFM wykreślić krzywe siła-odległość w warunkach atmosferycznych.
      UWAGA: Jako wspornik AFM zastosowano sondę Si o promieniu końcówki ~5-20 nm i stałej sprężystości ~40 N/m.
  2. Pomiar sztywności podłoża Si z osadzonym C84 w komorze UHV
    1. Wyonać pomiary siły zgodnie z wytycznymi z punktu 4.1.1, używając AFM w systemie UHV, dla podłoża Si oczyszczonego metodą RCA, czystej powierzchni Si(111)-7x7, podłoża Si z osadzonym C84 oraz podłoża Si pokrytego cienką warstwą SiC.
    2. Wykreślić krzywe siła-odległość w systemie UHV. Uwaga: Jako wspornik AFM zastosowano sondę Si o promieniu końcówki ~5-20 nm i stałej sprężystości ~40 N/m. Rysunek 4 przedstawia analizę siła-odległość dla nieuporządkowanej powierzchni Si, powierzchni 7 x 7, pojedynczej samorzutnie uformowanej warstwy C84 osadzonej w powierzchni Si oraz powierzchni Si, wyznaczoną za pomocą UHV-AFM.

5. Pomiar właściwości nanomechanicznych za pomocą symulacji MD

UWAGA: W sekcji symulacji, w celu stworzenia modelu symulacji oraz wizualizacji wyników, wykorzystano program OVITO16 (otwarte oprogramowanie do wizualizacji) oraz oSSD17 (Open surface structure database). Do przeprowadzenia symulacji nanoindentacji oraz analizy wyników symulacji15 zastosowano pakiet LAMMPS14 (otwarty pakiet do symulacji dynamiki molekularnej (MD)). Wszystkie obliczenia symulacyjne zostały wykonane przy użyciu obliczeń równoległych w Advanced Large-scale Parallel Supercluster (ALPS) w NCHC.
UWAGA: Aby zbadać heterozłącze z monowarstwy C84 i podłoża Si za pomocą symulacji MD, należy przygotować model symulacyjny w kilku etapach, aby uzyskać zrelaksowaną monowarstwę C84 osadzoną w podłożu Si. Należy zauważyć, że ze względu na złożoność struktury międzyfazowej heterozłącza monowarstwy C84 i podłoża Si (111), trudno jest wygenerować strukturę dokładnie odpowiadającą danym eksperymentalnym. W związku z tym zastosowano metodę sztuczną do wygenerowania modelu symulacyjnego w kilku krokach proceduralnych, co przedstawiono na Rysunku 5. Szczegóły opisano w poniższych protokołach. Opisujemy sposób konfiguracji parametrów MD w LAMMPS, tworzenie zrelaksowanej monowarstwy fulerenów C84 osadzonej w podłożu, przeprowadzanie procedury indentacji oraz analizę wyników symulacji.

  1. Ustawianie parametrów w pliku wejściowym LAMMPS
    1. Użyj polecenia boundary, aby ustawić okresowe warunki brzegowe w kierunkach x i y.
    2. Użyj polecenia „fix velocity”, aby przypisać początkową prędkość z rozkładem Gaussa każdemu atomowi w układzie w sposób losowy.
    3. Użyj polecenia „fix pair_style”, aby przypisać potencjały Tersoff18 i AIREBO19 odpowiednio do opisu oddziaływań Si-Si i Si-C oraz oddziaływania C-C.
    4. Użyj poleceń „fix nvt” i „fix npt”, aby zastosować metodę Nosè-Hoover20 w celu zapewnienia utrzymania układu w pożądanej temperaturze i ciśnieniu dla wygenerowania zespołu kanonicznego i izotermiczno-izobarycznego20, w którym do przewidywania trajektorii atomów wykorzystuje się algorytm velocity-Verlet20. Użyj poleceń „fix nvt” i „run”, aby ustawić szybkość chłodzenia wynoszącą 3 K/psec dla procesu wyżarzania.
    5. Użyj polecenia „timestep”, aby ustawić krok czasowy 0,2 fsec dla całkowania w czasie.
    6. Użyj polecenia „fix wall/reflect”, aby zastosować ścianę odbijającą w celu ograniczenia stopnia swobody (5.3.2).
    7. Użyj poleceń „region” i „group”, aby podzielić podłoże na różne warstwy kontrolne (5.4.3): warstwę atomów newtonowskich, warstwę kontroli termicznej i dolną warstwę stałą, które można ustawić odpowiednio za pomocą poleceń „fix nve”, „fix nvt” i „fix setforce”.
    8. Użyj poleceń „region” i „create_atoms”, aby stworzyć sferyczną sondę.
    9. Użyj polecenia „fix move”, aby osadzić monowarstwę C84 w podłożu (5.4.2) i przesuwać sondę podczas symulacji (5.5.2).
    10. Użyj polecenia „run”, aby przeprowadzić symulację MD.
    11. Użyj poleceń „compute force” (5.6.1) i „compute stress/atom” (5.6.4), aby ocenić naprężenia atomowe i siłę wgniecenia.
      UWAGA: W dalszej części, z wyjątkiem tworzenia struktury, wszystkie kroki zostały wykonane za pomocą skryptu LAMMPS.
  2. Przygotowanie powierzchni krzemu (111) 7 x 7 za pomocą oSSD i OVITO.
    1. Uruchom oprogramowanie oSSD. Kliknij przycisk „search”. Pojawi się panel „Search criteria”. Wybierz podłoże Si, typ pierwiastka, strukturę zrekonstruowaną, półprzewodnik, sieć diamentową, ścianę 111 i wzór 7 x 7. Kliknij przyciski „Search” i „Accept”. Pojawi się panel „Structure list”. Wybierz pożądaną strukturę (t.j. Si(111) 7 x 7). Kliknij przycisk „File”. Zapisz plik współrzędnych jako plik .xyz.
      UWAGA: Zaznaczamy, że baza strukturalna pobrana z oSSD nie jest wystarczająco duża dla naszej symulacji wgniecenia. W związku z tym w kolejnych krokach budujemy większe i grubsze podłoże.
    2. Uruchom oprogramowanie OVITO. Wczytaj plik .xyz do OVITO. Użyj polecenia „Slice”, aby wyciąć superkomórkę powierzchni Si(111) 7 x 7 o rozmiarze 26,878 x 46,554 Å2 w kierunku x i y. Eksportuj plik danych. Użyj polecenia „Slice”, aby wyciąć superkomórkę dolnego podłoża Si(111) o rozmiarze 26,878 x 46,554 x 9,7 Å3. Użyj polecenia „Show periodic images”, aby powielić superkomórkę 12 razy w kierunku z. Eksportuj plik danych.
    3. Połącz pliki danych powierzchni Si(111) 7 x 7 i modele podłoża Si(111) za pomocą Notepad++ (darmowego edytora kodu źródłowego). Na koniec wczytaj połączone dane do OVITO. Użyj funkcji „Show periodic images”, aby powielić superkomórkę 5 x 3 w kierunkach x i y, aby zwiększyć rozmiar podłoża.
    4. Użyj LAMMPS, aby przeprowadzić symulację MD przez czas 20 psec w celu relaksacji modelu symulacyjnego. Następnie przeprowadź proces hartowania od 1 550 K do temperatury pokojowej przez czas symulacji 500 psec. Na koniec przeprowadź symulację przez czas 10 psec dla końcowego procesu relaksacji.
  3. Przygotowanie monowarstwy fulerenowej C84
    1. Pobierz z sieci21 plik współrzędnych zoptymalizowanej struktury fulerenu C84 i napisz program w języku FORTRAN, aby powielić 49 fulerenów C84 ułożonych w strukturę plastra miodu.
    2. Użyj LAMMPS, aby ustawić ściany odbijające nad i pod monowarstwą C84 , aby zapewnić, że cząsteczki pozostaną w jednej płaszczyźnie. Przeprowadź symulację MD przez czas 200 psec, aby zrelaksować model symulacyjny. Następnie przeprowadź proces hartowania od 700 K do temperatury pokojowej przez czas symulacji 500 psec, aby uzyskać stan globalnego minimum. Na koniec przeprowadź symulację przez czas 10 psec dla końcowego procesu relaksacji.
  4. Budowa modelu wgniecenia monowarstwy fulerenowej C84 na powierzchni krzemu (111) 7 x 7.
    1. Napisz kod w języku FORTRAN, aby ułożyć monowarstwę C84 na powierzchni Si(111) 7 x 7 w odległości 3 Å, aby stworzyć model wgniecenia.
    2. Użyj LAMMPS, aby osadzić monowarstwę C84 w podłożu na głębokość 2~3 Å. Następnie przeprowadź symulację przez czas 40 psec w celu relaksacji układu. Na koniec wyżarz układ do temperatury pokojowej.
    3. Podziel podłoże krzemowe na górną warstwę atomów newtonowskich, warstwę kontroli termicznej i dolną warstwę stałą, których grubość wynosi odpowiednio 0,7, 2 i 5,3 nm. Monowarstwy C84 zostały również zamodelowane jako atomy newtonowskie.
  5. Proces wgniecenia w symulacji MD
    1. Użyj LAMMPS, aby stworzyć sferyczną sondę o średnicy 5 nm nad modelem powierzchni C84/Si(111) 7 x 7 (Rysunek 5). Sondę ustawiono jako ciało sztywne. Określ stałą prędkość 10 m/sec dla sondy, aby poruszała się w dół w stronę próbki w procesie wgniecenia.
    2. Przesuwaj sondę w dół w stronę próbki ze stałą prędkością, aż do osiągnięcia określonej głębokości obciążenia (t.j. uwzględniając przypadki 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20 i 30 Å, aby zbadać wpływ monowarstwy fulerenów C84 na podłoże Si, gdzie rozmiar fulerenu C84 wynosi 11 Å) w procesie obciążania. Utrzymaj sondę w podłożu w procesie podtrzymania, aby umożliwić relaksację atomów. Na koniec wycofaj sondę z podłoża ze stałą prędkością w procesie retrakcji.
  6. Obliczenia i analiza
    1. Oblicz siłę wgniecenia poprzez zsumowanie siły pionowej atomów w sondzie zgodnie z następującymi wzorami:
      Równanie równowagi statycznej Fz=Σfi,z, wzór matematyczny dla analizy sił. (1)
    2. Wyznacz moduł zredukowany i sztywność z krzywej siła-przemieszczenie wgniecenia. W oparciu o metodę Olivera i Pharra22 można wyprowadzić liniową zależność między modułem Younga a sztywnością odciążania. Sztywność (t.j. nachylenie początkowego odcinka) krzywej odciążania definiuje się jako
      Równanie równowagi statycznej, S=dP/dh=β(2/√π)√AEr, wzór analizy naprężeń. (2)
      gdzie P, h, A i Er to odpowiednio obciążenie wgniecenia, elastyczne przemieszczenie sondy, rzutowany obszar wgniecenia i moduł zredukowany. β (=1 dla wgniotacza okrągłego) to współczynnik korekcyjny kształtu. Zależność między modułem zredukowanym a modułem Younga można zapisać jako
      Równanie modułu sprężystości; analiza materiałów kompozytowych; badanie wzoru dla inżynierii materiałowej. (3)
      gdzie E i v to moduł Younga i współczynnik Poissona dla próbki, a Ei i vi to moduł Younga i współczynnik Poissona dla wgniotacza.
    3. Oblicz twardość z definicji H = Pmax/A, gdzie Pmax i A to maksymalna siła wgniecenia i rzutowany obszar sondy.
    4. Oblicz wirialowe naprężenie atomowe22 na płaszczyźnie m podłoża w kierunku n według wzoru
      Wzór tensora naprężeń σ<sub>mn</sub>, równanie mechaniki statystycznej, schemat edukacyjny. (4)
      gdzie mi jest masą atomu i; Wzór termodynamiki równowagowej Vi^M, równanie w kontekście badań naukowych. i Symbol matematyczny \(v_i^n\), istotny w równaniach i obliczeniach. to odpowiednio składowe prędkości atomu i w kierunkach m i n; Vi to objętość przypisana wokół atomu i; Ns to liczba cząsteczek zawartych w obszarze S, gdzie S jest zdefiniowany jako obszar oddziaływań atomowych; Φ(rij) to funkcja potencjału; rij to odległość między atomami i i j, a Wyrażenie matematyczne zmiennej Xij z indeksem górnym M; zapis naukowy. i Wyrażenie matematyczne pokazujące zmienną \(x\) z indeksem dolnym \(ij\) i górnym \(n\), pojęcie algebraiczne. to składowe wektora z atomu i do atomu j w kierunkach m i n.
    5. Użyj OVITO, aby przedstawić niezmiennik odkształcenia von Misesa każdego atomu zgodnie z następującymi wzorami:
      Wzór na naprężenie von Misesa, równanie, analiza inżynierii mechanicznej, ocena wytrzymałości strukturalnej. (5)

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Monowarstwa cząsteczek C84 na nieuporządkowanej powierzchni Si(111) została wytworzona w procesie kontrolowanego samozgromadzenia w komorze UHV. Rysunek 1 przedstawia serię obrazów topograficznych wykonanych za pomocą UHV-STM dla różnych stopni pokrycia: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML oraz (d) 0,9 ML. Właściwości elektroniczne i optyczne podłoża krzemowego z osadzonym C84 zostały również zbadane przy użyciu różnych technik analizy powierzchni, takich jak STM i PL (Rysun...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W tym badaniu demonstrujemy wytwarzanie samoorganizującej się monowarstwy C84 na podłożu Si za pomocą nowatorskiego procesu wyżarzania (rysunek 1). Proces ten można również wykorzystać do przygotowania innych rodzajów podłoży półprzewodnikowych osadzonych w nanocząstkach. Substrat Si osadzony w C84 scharakteryzowano w skali atomowej za pomocą UHV-STM (ryc. 2), spektrometru emisji polowej, spektroskopii fotoluminescencyjnej, MFM i SQUID (ryc. 3).

...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Ministerstwu Nauki i Technologii Tajwanu za finansowe wsparcie tych badań w ramach umów nr MOST-102-2923-E-492-001-MY3 (W. J. Lee) i NSC-102-2112-M-005-003-MY3 (M. S. Ho). Z wdzięcznością wyraża się również wsparcie ze strony Tajwańskiego Urzędu Obliczeń Wielkiej Skali w zakresie dostarczania ogromnych zasobów obliczeniowych w celu ułatwienia tych badań.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
WafelSi(111). Typ/Domieszka: P/Bor; Rezystywność: 0,05-0,1 Ohm· cm
Węgiel, C84Legend StarC84 proszek, 98%
Kwas solnySigma-Aldrich84422RCA, 37%
AmmoniumChoneye Pure ChemicalRCA, 25%
Nadtlenek wodoruChoneye Pure ChemicalRCA, 35%
AzotNi Ni Airbutla wysokociśnieniowa, 95%
wolframDrut 461327 Nilaco, średnica 0,3 mm, końcówka
Wodorotlenek soduUCW85765trawienie Drut wolframowy do końcówki
AcetonMarcon Fine Chemicals99920nadaje się do chromatografii cieczowej i spektrofotometrii UV
MetanolMarcon Fine Chemicals64837nadaje się do chromatografii cieczowej i Spektrofotometria UV
UHV-SPMJEOL LtdJSPM-4500AUltrawysokopróżniowy skaningowy mikroskop tunelowy i ultrawysokopróżniowy mikroskop sił atomowych
ZasilaczKeithley237Wysokonapięciowa jednostka źródłowo-pomiarowa
SQUIDQuantum desighMPMS-7Natężenie pola magnetycznego: ± 7.0 Tesla, Zakres temperatur: 2– 400 K, Zakres magnetyczno-dipolowy: 5  &czasy;   10-7 – 300 emu
ALPSNarodowe Centrum Obliczeń Wysokiej Skali, TajwanZaawansowany wielkoskalowy superklaster równoległy, 177 tys. ton elektronicznych; 25 600 rdzeni procesora; 73 728 GB pamięci RAM; 1 074 TB pamięci masowej
krzemowy

Bibliografia

  1. Kroto, H. W., Heath, J. R., O'Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
  2. Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
  3. Margadonna, S., et al. Crystal Structure of the Higher Fullerene C84. Chem. Mater. 10, 1742-1744 (1998).
  4. Diederich, F., et al. The Higher Fullerenes: Isolation and Characterization of C76, C84, C90, C94, and C70O, an Oxide of D5h-C70. Science. 252, 548-551 (1991).
  5. Lv, Z., Deng, Z., Xu, D., Li, X., Jia, Y. Efficient organic light-emitting diodes with C60 buffer layer. Displays. 30, 23-26 (2009).
  6. Tokunaga, K. On the difference in electronic properties between fullerene C60 and C60X2. Chem. Phys. Lett. 476, 253-257 (2009).
  7. Basa, D. K., Smith, F. W. Annealing and crystallization processes in a hydrogenated amorphous Si---C alloy film. Thin Solid Films. 192, 121-133 (1990).
  8. Neudeck, P. G., Powell, J. A. Performance limiting micropipe defects in silicon carbide wafers. IEEE Electron Device Lett. 15, 63-65 (1994).
  9. Huang, C. P., Su, C. C., Ho, M. S. Intramolecular Structures of C60 and C84 Molecules on Si(111)-7x7 Surfaces by Scanning Tunneling Microscopy. Appl. Surf. Sci. 254, 7712-7717 (2008).
  10. Huang, C. P., Su, C. C., Su, W. S., Hsu, C. F., Ho, M. S. Nano-measurements of electronic and mechanical properties of fullerene embedded Si(111) surfaces. Appl. Phys. Lett. 97, 061908(2010).
  11. Huang, C. P., Hsu, C. F., Ho, M. S. Investigation of Fullerene Embedded Silicon Surfaces with Scanning Probe Microscopy. J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 7145-7148 (2010).
  12. Huang, C. P., Su, W. S., Su, C. C., Ho, M. S. Characteristics of Si(111) surface with embedded C84 molecules. RSC Adv. 3 (111), 9234-9239 (2013).
  13. Method of forming self-assembled and uniform fullerene array on surface of substrate. US Patent. , US9109278 (2015).
  14. Plimpton, S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J. Comp. Phys. 117, 1-19 (1995).
  15. Su, W. S., et al. Using a functional C84 monolayer to improve the mechanical properties and alter substrate deformation. RSC Adv. 5, 47498-47505 (2015).
  16. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO- the Open Visualization Tool. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012(2010).
  17. Watson, P. R., Hove, M. A. V., Hermann, K. Open Surface Structure Database. , Available from: http://www.fhi-berlin.mpg.de/KHsoftware/oSSD (2014).
  18. Tersoff, J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys. Rev. Lett. 56, 632(1986).
  19. Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions. Journal of Chemical Physics. 112, 6472(2000).
  20. Rapaport, D. C. The Art of Molecular Dynamics Simulations. , Cambridge University Press. (1997).
  21. Fowler, P. W. Cn Fullerenes. , Available from: http://www.nanotube.msu.edu (2013).
  22. Chandra, N., Namilae, S., Shet, C. Local elastic properties of carbon nanotubes in the presence of Stone-Wales defects. Phys. Rev. B. 69, 094101(2004).
  23. Honeycutt, J. D., Andersen, H. C. Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of Small Lennard-Jones Clusters. J. Phys. Chem. 91, 4950(1987).
  24. Schulz, M. J., Kelkar, A. D., Sundaresan, M. J. Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials. , Taylor & Francis. 736(2005).
  25. Ju, S. P., Wang, C. T., Chien, C. H., Huang, J. C., Jian, S. R. The Nanoindentation Responses of Nickel Surfaces with Different Crystal Orientations. Molecular Simulation. 33, 905-917 (2007).
  26. Mishin, Y., Suzuki, A., Uberuaga, B. P., Voter, A. F. Stick-slip behavior of grain boundaries studied by accelerated molecular dynamics. Phys. Rev. B. 75, (2007).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Symulacje dynamiki molekularnejwarunki ultrawysokiej pr niw a ciwo ci emisji polowejsztywno nanomechanicznaanaliza magnetyzmu powierzchniowegotopografia o rozdzielczo ci atomowejpomiar przerwy energetycznejanaliza widma fotoluminescencji
Sondowanie podłoża krzemowego osadzonego w C84 przy użyciu mikroskopii z sondą skaningową i dynamiki molekularnej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.