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Engineering

Probing C Published: September 28, 2016 doi: 10.3791/54235
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 3
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

Abstract

Dieser Artikel berichtet ein Array gestaltete C 84 -embedded Si Substrat mit einer kontrollierten Selbstorganisation Verfahren in einer Ultrahochvakuumkammer fabriziert werden. Die Eigenschaften des C 84 -embedded Si - Oberfläche, wie atomarer Auflösung Topographie, lokale elektronische Zustandsdichte, Bandlückenenergie, Feldemissionseigenschaften, nanomechanische Steifigkeit und Oberflächenmagnetismus, wurden unter Verwendung einer Vielzahl von Oberflächenanalysetechniken unter Ultra geprüft, Hochvakuum (UHV) sowie in ein atmosphärisches System. Die experimentellen Ergebnisse zeigen die hohe Gleichmäßigkeit der 84 C -embedded Si - Oberfläche eine kontrollierte Selbstorganisation Nanotechnologie Mechanismus Hergestellt mit, eine wichtige Entwicklung bei der Anwendung der Feldemissionsanzeige (FED) repräsentiert, opto - elektronischen Bauelementherstellung, MEMS Schneidwerkzeuge, und bei den Bemühungen um einen geeigneten Ersatz für Hartmetall-Halbleiter zu finden. Molekulardynamik (MD) Verfahren mit semiempirischer Potential be verwendet , um die Nanoindentierung von C 84 -embedded Si - Substrat zu studieren. Eine detaillierte Beschreibung zur Durchführung einer MD-Simulation wird hier vorgestellt. Details für eine umfassende Studie zur mechanischen Analyse der MD-Simulation wie Eindrückkraft, Elastizitätsmodul, Oberflächensteifigkeit, Atom Stress und Atom Stamm enthalten sind. Die Atom Stress und von-Mises-Dehnungsverteilungen des Eindrucks Modell berechnet werden, um Verformungsmechanismus mit Zeitauswertung in atomarer Ebene zu überwachen.

Introduction

Fulleren - Moleküle und die zusammengesetzten Materialien , die sie enthalten , sind unter den Unterscheidungsnanomaterialien aufgrund ihrer ausgezeichneten strukturellen Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und chemische Eigenschaften 1-4. Diese Materialien haben sich als sehr nützlich in einer Reihe von Bereichen, wie Elektronik, Computer, Brennstoffzellen-Technologie, Solarzellen und Feldemissionstechnologie 5,6.

Unter diesen Materialien sind Siliziumkarbid (SiC) Nanopartikel Verbunde haben besondere Aufmerksamkeit aufgrund ihrer breiten Bandlücke, eine hohe thermische Leitfähigkeit und Stabilität, hohe elektrische Durchschlagsfähigkeit und chemische Inertheit empfangen. Diese Vorteile sind besonders offensichtlich, in optoelektronischen Vorrichtungen, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Leuchtdioden (LEDs) und High-Power-Hochfrequenz und Hochtemperaturanwendungen. hoher Dichte Defekte jedoch häufig auf der Oberfläche beobachtet Conventional Siliziumkarbid haben nachteilige Auswirkungen auf die elektronische Struktur kann, auch auf Geräteausfall 7,8 führt. Trotz der Tatsache, dass die Anwendung von SiC hat seit 1960, ist diese besondere ungelöstes Problem bleibt sucht.

Das Ziel dieser Studie war die Herstellung eines C 84 -embedded Si Substrat Heteroübergang und eine nachfolgende Analyse ein umfassendes Verständnis der elektronischen, optoelektronischen, mechanischen, magnetischen und Feldemissionseigenschaften der resultierenden Materialien zu erhalten. Ferner befassten wir uns mit der Frage der Verwendung der numerischen Simulation der Eigenschaften von Nanomaterialien durch die neuartige Anwendung von Molekulardynamik-Berechnungen vorhersagen.

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Protocol

HINWEIS: Das Papier beschreibt die verwendeten Verfahren in der Bildung einer selbstorganisierten Fulleren-Array auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats. Insbesondere stellen wir ein neues Verfahren zur Herstellung eines Fulleren-eingebetteten Siliziumsubstrat für die Verwendung als Feldemitter oder ein Substrat in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und optoelektronischen Vorrichtungen in Hochtemperatur-, Hochleistungs, Anwendungen sowie in hoher -frequenz Geräte 9-13.

1. Herstellung von Hexagonal-geschlossen-verpackt (HCP) Deckschicht aus C 84 auf Si - Substrat

  1. Bereiten Sie reinigen Si (111) Substrat
    1. Gegenstand Si Substrat RCA (Radio Corporation of America) Reinigung, die die Anwendung eines Lösungsmittels, gefolgt von Erhitzen in einem Ultrahochvakuumsystem zur Entfernung der Oxidschicht und Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats (siehe Hintergrundmaterial).
      HINWEIS: Hierin bedeutet der Ausdruck "UHV-Ultrahochvakuum-System" bezieht sichauf ein Vakuum von weniger als 1 x 10 -8 Pa bei der Herstellung eines Si (111) verwendet wird .
  2. Kaution C 84 auf Siliziumoberfläche Mit Thermal Evaporation in einem UHV - System
    1. Vorheizen eine K-Zelle Verdampfer mit externen Stromversorgung durch Heizfäden bis 500 ° C, um das Ausgasen von Verunreinigungen zu fördern.
    2. Legen C 84 Nanopartikel in einer K-Zelle Behälter. resistiv erwärmen die K-Zelle auf 650 ° C. Verdunsten C 84 Nanopartikel als C 84 Nanopartikel in den Behälter Brüden zusammenzusetzen . Dampfe C 84 Nanopartikel in geraden Linien bis Nanopartikel mit einem Si - Substrat durch ein gesteuertes Ventil bei einem Druck von weniger als 5 x 10 -8 Pa schlagen.
  3. Embed C 84 Moleküle innerhalb Si - Oberfläche über Selbstorganisation Mechanism
    1. Pre-Glühung Si (111) Substrat in einem Ultrahochvakuumsystem bei 900 ° C zu erhalten (1x1) -Strukturen. Die Temperatur auf 650 ° C für 30 min für die Deposition der C 84 Nanopartikeln auf der Oberfläche des Substrats.
    2. Einbrennlackieren Si-Substrat bei ~ 750 ° C für 12 h, während welcher Zeit das pulverisierte-C 84 - Nanopartikel durch Selbstorganisation in eine sehr gleichmäßige Fulleren - Array auf der Oberfläche des Si (111) -Substrat.
      HINWEIS: Hierin bedeutet der Ausdruck "highly uniform Fulleren array" bezieht sich auf die gleichmäßige Verteilung von Fulleren auf dem Substrat, in dem die meisten der Nanopartikel in einer kompakten Anordnung senkrecht zur Oberfläche des Substrats orientiert sind. Diese Konfiguration dazu beigetragen, dass die vertikale Höhe des Fullerens Array in allen Proben im wesentlichen identisch war.

2. Messungen der elektronischen Eigenschaften von 84 C -embedded Si - Substrat

  1. Messen Sie lokale elektronische Zustandsdichte Mit UHV-Rastertunnelmikroskopie
    1. Messen IV-Kurven bestimmter Atome mit UHV-SPM
    2. Platz C 84
    3. Klicken Sie auf "IV" Messpunkt des Tunnelstroms I mit atomarer Auflösung zu messen. Wählen Sie mindestens 20 bestimmten Stellen auf dem C 84 -embedded Si - Substrat für Messungen. Berechnen Sie den Mittelwert des Tunnelstroms I über 20 bestimmten Orten. Herzuleiten I als Funktion der Spannung. Plot IV-Kurven.
    4. Berechnen der Ableitung von I (V) in Bezug auf V. Konvertieren der IV - Kurven zu dI / dV als eine Funktion der Spannung, um den lokalen elektronischen Zustands des C 84 -embedded Si - Substrat zu bestimmen.
  2. Messung der Bandlückenenergie
    1. Erhalten IV - Kurven nach den Verfahren in 2.1.2 und 2.1.3 der folgenden Optionen : Si (111) -7x7 Oberfläche, Si (111) -1x1 Oberfläche, einzelne Individuum C 84 Nanopartikel auf Si, 7-19 C 84Cluster auf Si, 20-50 C 84 Clustern auf Si, und eine Monoschicht von 84 C innerhalb von Si - Oberfläche eingebettet.
    2. Berechnen Sie die Ableitung von I (V) in Bezug auf V. Konvertieren Sie die IV - Kurven zu dI / dV - Kurven die HOMO-LUMO Energiedifferenzen zu messen (bezogen auf die Bandlückenenergie) in jeder Messstelle, wie in Abbildung 2a dargestellt.
  3. Erhalten Field Emission (FE) Eigenschaften
    1. Platz C 84 -embedded Si - Substrat auf einem FE Probenhalter. Setzen Sie den Halter in FE Analysekammer. Evakuieren der Kammer auf einen Druck von etwa 5 x 10 -5 Pa für FE - Messung.
      HINWEIS: Die C 84 -embedded Siliziumsubstrat diente als Kathode und einer Kupfersonde mit einer Querschnittsfläche von ca. 0,71 mm 2 als Anode fungiert. Der Abstand zwischen der Kathode und der Anode betrug etwa 590 um.
    2. Erhöhen Sie die angelegte Spannung manuell auf dem Substrat von 100 V bis 1100 V messen entsprechening Feldemissionsstroms als Funktion der angelegten Spannung einer Hochspannungsquelle Meßeinheit mit Stromverstärker verwendet wird.
    3. Berechnen Sie die Fowler-Nordheim - Feldemissions Korrelation entsprechend der Arbeitsfunktion ~ 5 eV wie in 2b gezeigt.
    4. Beziehen Sie die geometrische Feldverstärkungsfaktor (β) wie folgt: F (Feld) = β (V / d) mit einem β-Wert von etwa 4.383.
    5. Beziehen Sie die elektrische Durchbruchfeld unter Vakuum auf der Grundlage der Neigung des natürlichen Logarithmus (J / E 2) vs (1 / E), die uns ergab einen Wert von ~ 4,0 x 10 6 V / cm für den C 84 -embedded Si - Substrat wie in Figur 2c gezeigt.
  4. optoelektronischen Eigenschaften
    1. Übertragen Testsubstrat auf eine optische Emissionsmesssystem. Fokus Ein He-Cd-Laserquelle mit 325 nm-Emissionen auf dem Substrat, das in der Mitte des Probenraum befindet. Legen Sie ein Spektrometer in einer geeigneten Position auf. Verwenden Sie eine spectrometer die Photolumineszenz-Spektrum durch das Sammeln und Analysieren von Photonen aussenden zu erwerben. Das optoelektronische Ergebnis ist in 2d gezeigt.

3. Die Messungen der Oberflächen Magnetism

  1. Erhalten MFM (Magnetic Force Micros) Topographie.
    1. Magnetisieren Proben von 84 C -embedded Si vor dem MFM - Messungen durch einen Magneten mit einer Feldstärke von etwa 2 kOe angelegt wird .
    2. Legen Sie die magnetisierten Probe auf einem MFM-Probentisch. Klicken Sie auf "Erhalten MFM Topographie" aus. Beachten Sie die Mikrostruktur des Fullerens in der magnetischen Domäne innerhalb des Si-Substrats eingebettet MFM Verwendung in Hubmodus mit der Anwendung der Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche der Probe.
    3. Verwenden Sie einen nanoskaligen PPP-MFMR Cantilever für MFM - Messungen (Abbildung 3a). Bestimmen Sie die Oberflächenmagnetismus, wenn MFM Topographie erscheint dunkler (heller), wenn das magnetische Moment der Spitze im sam iste (entgegengesetzte Richtung) des Substrats Moment.
  2. SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Messung
    1. Bereiten Monoschicht von 84 C -embedded Si - Substrat und C 84 Cluster auf C 84 eingebettet Si - Substrat.
    2. Magnetisieren Proben von 84 C -embedded Si und C 84 Cluster auf 84 C eingebetteten Si Substrat vor SQUID Experimenten durch einen Magneten mit einer Feldstärke von etwa 2 kOe angelegt wird .
    3. Die Probe wird in einem SQUID. Tragen Sie eine geschwungene Magnetfeld in einem Bereich von ~ 2 kOe. Erhalten, um die Magnetisierungsschleifen gegenüber dem externen Magnetfeld in SQUID-Messungen bei Raumtemperatur aufgetragen.
      HINWEIS: Die typische MH - Kurve für ein ferromagnetisches Material kann , wie in 3b gezeigt , erhalten werden.

4. Messung der Eigenschaften von Nanomechanische AFM

HINWEIS: Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) liefert einleistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Werkstoff und mechanischen Eigenschaften im Mikro- und Nanoskalen in Luft sowie in einer UHV-Umgebung

  1. Messen Sie die Steifheit der C 84 Embedded Si - Substrat unter atmosphärischen Bedingungen
    1. Legen Sie das Substrat auf einer AFM-Probentisch. Ziehen Sie eine scharfe Spitze über die Substrate mit Hilfe eines Scanners. Überwachen Sie die Verschiebungen der Spitze als Maß für die Spitze und Probe Wechselwirkungskräfte. Notieren Sie sich die Bewegungen an vielen Spitzen-Proben-Abstände entlang einer vertikalen Richtung in einer bestimmten Position durch einen Klick auf "Kraftmessung" aus.
    2. Erhalten Kraftmessungen unter Verwendung eines AFM unter atmosphärischen Bedingungen von einer RCA-Reinigung Si - Substrat mit 2-3 nm Schicht aus natürlichem Oxid sowie aus einem C 84 -embedded Si - Substrat und ein Si - Substrat , beschichtet mit einem dünnen Film aus SiC.
    3. Mit AFM-Software, plotten Kraft-Weg-Kurven unter atmosphärischen Bedingungen.
      HINWEIS: Das war AFM Cantilever eine Si-Sonde mit einem Spitzenradius von~ 5-20 nm und Federkonstante von ~ 40 N / m.
  2. Messen Sie die Steifheit der C 84 Embedded Si - Substrat in UHV - Kammer
    1. Erhalten Sie Kraftmessungen gemäß der Anleitung von 4.1.1 AFM in einem UHV - System von einem RCA-gereinigten Si - Substrat verwendet, eine saubere Si (111) -7x7 Oberfläche, ein 84 C -embedded Si - Substrat, Substrat und ein Si - Substrat beschichtet mit einem dünnen Film aus SiC.
    2. Plot Kraft-Weg-Kurven in einem UHV-System. . Hinweis: Die AFM - Cantilever eine Si - Sonde mit einem Spitzenradius von ~ 20.5 nm und Federkonstante von ~ 40 N / m war Abbildung 4 zeigt die Kraft-Weg - Analyse der ungeordneten Si - Oberfläche, 7 x 7 Oberfläche, Single Selbst montierte Schicht von 84 C innerhalb von Si - Oberfläche eingebettet sind , und Si - Oberfläche, wie UHV-AFM bestimmt.

5. Messung der Nanomechanische Eigenschaften von MD Simulation

HINWEIS: In der Simulationsabschnitt, OVITO 16 (Open-Source - visualizatiOSSD 17 (Open Oberflächenstruktur - Datenbank) auf Software) und werden verwendet , um das Simulationsmodell und Ergebnisse Visualisierung zu erstellen. LAMMPS 14 (ein Open-Source - Moleküldynamik (MD) Simulationspaket) wird verwendet , um die Nanoindentierung Simulation durchzuführen und zu analysieren , die Simulation 15 führt. Alle Simulationsaufträge werden mit Parallel-Computing in der erweiterten Groß Parallel Super (ALPS) von NCHC ausgeführt.
HINWEIS: Um die C 84 einschichtige / Si - Substrat mit Hetero Studie von MD - Simulation, sollte man ein Simulationsmodell durch mehrere Schritte vorbereiten eine entspannte C 84 Monoschicht in das Si - Substrat eingebettet zu erhalten. Man beachte , daß es schwierig ist , eine genau die gleiche Struktur aus den experimentellen Daten, weil der Komplex der Zwischenstruktur zwischen C 84 Monoschicht und Si (111) -Substrat Heteroübergang zu erzeugen. Als Ergebnis verwenden wir eine künstliche Weise das Simulationsmodell mit mehreren Schritten des Verfahrens zu erzeugen,die in Figur 5 dargestellt ist. Die Details werden in den folgenden Protokollen beschrieben. Wir beschreiben , wie die Einrichtung der Parameter von MD in LAMMPS, eine entspannte C 84 Fulleren einschichtigen in ein Substrat eingebettet etablieren, eine Vertiefung Verfahren durchführen, und die Simulationsergebnisse analysieren.

  1. Parameter Einstellung in LAMMPS Eingabedatei
    1. Verwenden Grenze Befehl, um die periodische Randbedingungen in der x- und der y-Richtung zu setzen.
    2. Mit "fix Geschwindigkeit" -Befehl die Anfangsgeschwindigkeit mit einer Gaußschen Verteilung an jedem Atom des Systems zuzuordnen, zufällig.
    3. Verwenden Sie "fix pair_style" Befehl Tersoff 18 und AIREBO 19 Potentiale zuzuweisen , die Si-Si und Si-C - Wechselwirkung und die CC - Wechselwirkung zu beschreiben sind.
    4. Verwenden Sie "Fix nvt" und "fix npt" Befehl 20 die Nose-Hoover - Verfahren anzuwenden , das System , um sicherzustellen , bleibt bei der gewünschten Temperatur und Druck auf GenBewerten eine kanonische und isothermen-isobaren ensemble 20, in welchem System die Geschwindigkeit-Verlet Algorithmus 20 verwendet wird , um die Flugbahnen der Atome zu prognostizieren. Verwenden Sie beide "fix nvt" und "run" befiehlt eine Kühlrate von 3 K / psec für Glühprozess einzustellen.
    5. Verwenden Sie "Zeitschritt" Befehl, um einen Zeitschritt von 0,2 fsec als die Zeit, die Integration zu setzen.
    6. Verwenden Sie "reparieren Wand / reflektieren" Befehl eine reflektierte Wand zu erlassen, um den Grad der Freiheit zu beschränken (5.3.2).
    7. Verwenden Sie "Region" und "Gruppe", um das Substrat in verschiedenen Kontrollebenen aufzuteilen (5.4.3): Newtonsche Atomschicht, eine thermische Steuerschicht und eine untere feste Schicht, die unter Verwendung von "fix nve" eingerichtet werden kann " fix nvt "und" setforce "Befehle zu beheben sind.
    8. Verwenden Sie "Region" und "create_atoms" Befehlen eine kugelförmige Sonde zu schaffen.
    9. Verwenden Sie "fix move" Befehl, um die C84-Monoschicht in das Substrat einbetten (5.4.2) und bewegen Sie die Sonde während der Simulation (5.5.2).
    10. Verwenden Sie "run" Befehl MD-Simulation durchzuführen.
    11. "Rechenkraft" Use (5.6.1) und "Compute-Stress / Atom" (5.6.4) Befehle, um die Atom Stress und Eindrückkraft zu bewerten.
      HINWEIS: Im Folgenden werden mit Ausnahme der Struktur zur Festlegung alle Schritte von LAMMPS Skript durchgeführt wurden.
  2. Verwenden Sie OSSD und OVITO zu Herstellung von Silizium (111) 7 x 7-Oberfläche.
    1. Schalten Sie die OSSD-Software. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Suche". "Suchkriterien" Panel vorgestellt. Wählen Si-Substrat, elementaren Typ, rekonstruierte Struktur, Halbleiter-elec, Diamantgitter, 111 Gesicht und 7 x 7 Muster. Klicken Sie auf "Suchen" und "Übernehmen" Tasten. "Strukturliste" Panel vorgestellt. Klicken Sie auf die gewünschte Struktur (dh Si (111) 7 x 7). Klicken Sie auf "Datei" klicken. Speichern Sie die Datei als Koordinations .xyz Datei.
      HINWEIS: Wir weisen darauf hin, dass die StrukturDatenbank aus OSSD- extrahiert ist nicht groß genug für unsere Einbuchtung Simulation. Als Ergebnis können wir eine größere und dickere Substrat durch die folgenden Schritte wieder aufzubauen.
    2. Schalten Sie die OVITO Software. Laden Sie die Datei .xyz in OVITO. Verwendung "Slice" Befehl eine Superzelle des Si zu erfassen (111) 7 x 7 Fläche mit einer Größe von 26,878 x 46,554 Å 2 in x und y - Richtung. Exportieren Sie die Datendatei. Verwendung "Slice" Befehl eine Superzelle der unteren Si (111) -Substrat mit einer Größe von 26,878 x 46,554 x 9,7 Å 3 zu erfassen. Verwenden Sie "zeigen periodische Bilder" Befehl Superzellen- 12-mal in z-Richtung zu duplizieren. Exportieren Sie die Datendatei.
    3. Kombinieren Sie die Datendateien von Si (111) 7 x 7 Oberfläche und die Si (111) Substrat Modelle von Notepad ++ (ein kostenloser Quellcode-Editor). Schließlich laden die kombinierten Daten in OVITO. Verwenden Sie "zeigen periodische Bilder" eine 5 x 3 Superzelle in x und y-Richtung zu verdoppeln die Größe des Substrats zu vergrößern.
    4. Verwenden Sie LAMMPS eine 20 & mgr; s durchzuführenMD-Simulation Zeit, um das Simulationsmodell zum Entspannen. Im Folgenden wird ein Abschreckverfahren von 1.550 K bis Raumtemperatur für 500 psec Simulationszeit durchführen. Führen Sie schließlich für die endgültige Relaxationsprozesses 10 psec Simulationszeit.
  3. Herstellung von C 84 Fulleren einschichtiges
    1. Laden Sie die Koordination Datei der optimierten Struktur von C 84 Fulleren aus der Bahn 21 und schreiben Sie eine Fortran - Programm zu replizieren 49 C 84 in einer Wabenstruktur angeordnet Fullerene.
    2. Verwenden Sie LAMMPS Setup reflektieren Wände auf und unterhalb der C 84 einschichtige , um sicherzustellen , dass die Moleküle auf einem Plan zu bleiben. Führen Sie eine MD-Simulation Zeit für 200 & mgr; s das Simulationsmodell zu entspannen. Im Folgenden wird ein Abschreckverfahren von 700 K bis Raumtemperatur einen glob Mindest Zustand für 500 psec Simulationszeit zu erhalten, durchzuführen. Führen Sie schließlich für die endgültige Entspannung Prozess eine 10 & mgr; s Simulationszeit.
  4. Stellen Sie die Indentation Modell der C 84 Fullerene Monoschicht auf Silizium (111) 7 x 7 - Oberfläche.
    1. Schreiben Sie einen Fortran - Code , um die C 84 Monoschicht auf der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche mit Abstand von 3 Å legen , um das Einrücken Modell zu etablieren.
    2. Verwenden Sie LAMMPS die C 84 Monoschicht in das Substrat mit einer Tiefe von 2 bis 3 Å einzubetten. Im Folgenden wird eine 40 psec Simulationszeit für die System Relaxation ausgeführt. Schließlich tempern das System auf Raumtemperatur.
    3. Teilen das Siliziumsubstrat in eine obere Newtonsche Atomschicht, einer thermischen Steuerschicht und eine untere feste Schicht, die 0,7 sind, 2 und 5,3 nm Dicke, respectively. Die C - 84 - Monoschichten wurden auch als Newtonsche Atom modelliert.
  5. Eindringprozesses von MD
    1. Verwenden Sie LAMMPS eine kugelförmige Sonde mit 5 nm Durchmesser auf der C - 84 / Si (111) 7 x 7 Oberflächenmodus (Abbildung 5) zu erstellen. Die Sonde wird als starrer Körper eingestellt. Geben Sie eine konstante Geschwindigkeit von 10 m / s auf dem probe nach unten in Richtung der Probe in der Vertiefung Prozess zu bewegen.
    2. Bewegen der Sonde nach unten in die Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit , bis die spezifischen Ladetiefe (dh einschließlich der Fälle von 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20 und 30 Å , um die Wirkung des C 84 Fulleren - Monoschicht zu erkunden auf dem Si - Substrat, wobei die Größe von C 84 Fulleren 11 Å) in dem Ladevorgang ist. Halten Sie die Sonde in dem Substrat in dem Halte Verfahren zur Entspannung von Atomen zu ermöglichen. Schließlich extrahieren, die Sonde von dem Substrat mit einer konstanten Geschwindigkeit in der Rückzugsprozess.
  6. Berechnung und Analyse
    1. Berechne die Eindrückkraft durch die vertikale Kraft von Atomen in der Sonde Summieren gemäß den folgenden Formeln:
      Gleichung (1)
    2. die reduzierte E-Modul und Steifigkeit aus der Kraft-Weg-Kurve des Eindrucks extrahiert. Basierend auf Oliver und Pharr & #39; s Methode 22, eine lineare Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und der Entladestation Steifigkeit abgeleitet werden. Die Steifigkeit ( das heißt, die Steigung des Anfangsteils) der Entlastungskurve ist definiert als
      Gleichung (2)
      wobei P, h, A, E und R die Eindruckbelastungs, elastische Verschiebung der Sonde, projizierten Fläche der Einbuchtung und verringertem Modul. β (= 1 für runde Eindringkörper) ist die Form Modifikationsfaktor. Das Verhältnis zwischen reduziertem Modul und Elastizitätsmodul kann geschrieben werden als
      Gleichung (3)
      wobei E und v der Young-Modul und das Poisson-Verhältnis für die Probe und E i und v i die der Young - Modul und das Poisson-Verhältnis für den Eindringkörper.
    3. Berechnen Sie die Härte durch Definition von H = P max / A, wobei P max und A die maximale Eindrückkraft und Projektionsfläche der Sonde sind.
    4. Berechne die virial Atom Stress 22 auf der m - Ebene des Substrats in der n -Richtung durch
      Gleichung (4)
      wobei m i die Masse von Atom i; Gleichung und Gleichung in der m sind die Geschwindigkeitskomponenten von Atom i - und n -Richtungen sind; N s ist die Anzahl von Partikeln enthalten innerhalb des Bereichs S, wobei S definiert ist als der Bereich der atomaren Wechselwirkung; V i das Volumen um Atom i zugeordnet ist ; Φ (r ij) ist die Potentialfunktion; r ij der Abstand zwischen den Atomen i und und Gleichung die m - und n -Richtung Komponenten des Vektors von Atom i j zu Atom.
    5. Verwenden Sie OVITO die von-Mises-Stamm jedes Atoms invariant zu zeigen, gemäß den folgenden Formeln:
      Gleichung (5)

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Representative Results

Eine Monoschicht aus C 84 Molekülen auf einer ungeordneten Si (111) -Oberfläche wurde hergestellt in einer UHV - Kammer eine kontrollierte Selbstorganisationsprozess unter Verwendung von Figur 1 zeigt eine Reihe von topographischen Bildern gemessen durch UHV-STM mit verschiedenen Graden der Abdeckung:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml und (d) 0,9 ml. Die elektronischen und optischen Eigenschaften der C 84 eingebettet Si - Substrat wurden ebenfalls unter Verwendung einer Vielzahl von Oberflächenanalysetechniken untersucht, wie beispielsweise STM und PL (Abbildung 2). Die hervorragenden Materialeigenschaften der erhaltenen Proben zeigen, wie die Nanotechnologie für die Kontrolle der Materie auf Atom- und Nanoskalen verwendet werden. Die MFM und SQUID Ergebnisse in Abbildung 3 zeigen die Oberflächenmagnetismus von 84 C eingebettet Substrat. 4 ist das UHV-AFM Ergebnisse präsentiert, die auf die Nanomechanik von vorgeschlagenen Substrat beziehen. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen das Potential des C 84 Abbildung 4).

In der Simulationsabschnitt, alle werden die Verfahren abgeschlossen durch LAMMPS mit den MD-Simulationen durchzuführen. Die mechanischen Eigenschaften (Eindrückkraft und Kontaktspannung) des Fullerens eingebetteten Substrat wird berechnet und in Fig . 6 die von-Mises Dehnungsanalyse von Atomen zu unterschiedlichen Zeitschritt verwendet werden , um die lokale Verformung charakterisieren gezeigt. Die entsprechenden Schnappschüsse als Funktion der Eindringtiefe in den Inserts von Figur 6 zu sehen ist, die durch OVITO wurden berechnet und visualisiert. Die Ergebnisse der Eindrückkraft als Funktion der Eindringtiefe werden verwendet , um die Härte H (7a), reduzierte Elastizitätsmodul E zu berechnen <sub> r (7b) und Lade Steifigkeit S (8) der C 84 Monoschicht. Die Ergebnisse können mit denen von Experiment bestimmt vergleichen und ein detaillierter Sicht die Variation der mechanischen Eigenschaften zu interpretieren.

Abbildung 1
Abbildung 1: C 84 Embedded Si - Substrat mit verschiedenen Abdeckung Serie von STM topographische Bilder (40 x 40 nm 2) zeigt C 84 Moleküle auf Si (111) adsorbiert Oberfläche bei einer negativen Probe Vorspannung von 2 V, gemessen durch UHV-STM. mit verschiedenen Graden der Abdeckung: (a) 0,01 ml, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml und (d) 0,9 ml.

Figur 2
Abbildung 2: Elektronische Eigenschaften Messungen an 84 C Si - Substrat Embedded (a) IV - Kurven und Differential - Derivat Leitfähigkeit (dI / dV) vs der Spannungskurve eines einzelnen selbstorganisierenden Schicht von 84 C, bestimmt durch UHV-STM. ; (B) Feldemissionsstromdichte vs elektrische Feldkurve; (C) entsprechende FN Grundstück von Oberfläche mit eingebetteten C 84, gemessen mit einem Source-Measure - Einheit verwendet wird ; (D) Fotolumineszenzspektrum einzelner selbstorganisierenden Schicht von 84 C. Re-Print mit Genehmigung aus Lit. 12. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Figur 3: Oberflächen Magnetismus auf 84 C Embedded Si - Substrat (a) MFM Bild von Si - Substrat eingebettet mit C 84. (B) Magnetisierungsschleife gegen äußere Magnetfeld aufgetragen Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4: Nanomechanische Untersuchung auf 84 C Embedded Si - Substrat Kraft-Weg - Analyse der ungeordneten Si - Oberfläche, 7 x 7 Oberfläche, einzelne selbstorganisierte Schicht von 84 C innerhalb von Si - Oberfläche eingebettet sind , und Si - Oberfläche, wie UHV-AFM bestimmt.. Re-Print mit Genehmigung aus Lit. 11. Bitte klicken Sie hiereine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5: Ablaufdiagramm für Simulationsmodell zur Gründung der dramatischen illustrieren die Einstellung in MD - Simulation aus einer einzigen Schicht C 84 und Si (111) 7 x 7 Oberfläche auf eine C 84 Monoschicht in Si einzubetten (111) 7 x 7 - Modell.. Die Detailverfahren finden Sie im Abschnitt 5 des Protokolls zu sehen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6: Einrückungen Kraft und Kontaktspannungsanalyse Eindrückkraft (schwarz) und Kontaktspannung (blau) von C 84 als Funktion der Eindringtiefe.. Einsätzezeigen die entsprechenden Schnappschüsse, wo die andere Farbe den entsprechenden von Mises - Stamm (ε Vm) aller Atome angibt. So löschen Sie die Stamm - Lokalisierung anzuzeigen, nur die Atome mit ε vM> 0,08 werden im Snapshot angezeigt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7
Abb . 7:. Härte und verringertem Modul Analyse (a) Härte und (b) reduziert Modulschwankung als Funktion der Eindringtiefe für die C - 84 - Monoschicht auf Si - Oberfläche Bitte klicken Sie hier eine größere Version dieser Figur zu sehen.


Abbildung 8: Laden Steifigkeit Analyse. Laden Steifigkeit als Funktion der Entfernung bestimmt durch MD - Simulationen verglichen mit der durch AFM - Experimente für C 84 / Si. Geändert von Referenz 16. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

In dieser Studie zeigen wir die Herstellung einer selbstorganisierenden Monoschicht von C 84 auf einem Si - Substrat durch einen neuartigen Glühprozeß (Abbildung 1). Dieses Verfahren kann auch andere Arten von Nanopartikeln eingebetteten Halbleitersubstrate zur Herstellung verwendet werden. Der C 84 -embedded Si - Substrat auf atomarer Skala mit UHV-STM (Abbildung 2) charakterisiert, Feldemissionsspektrometer, Photolumineszenz - Spektroskopie, MFM und SQUID (Abbildung 3).

Die Haftfestigkeit an nanomechanischen Eigenschaften (dh Spannung) des entsprechenden C 84 -embedded Si Substrate AFM gemessen werden kann (Abbildung 4). Unsere Ergebnisse zeigen , dass die Härte des vorgeschlagenen C 84 -embedded Si - Substrat zu der von SiC und Si Oberflächen vergleichbar ist, sie anwendbar als Schleifmaterial für Werkzeuge sowie einen Film in MEMS - Vorrichtungen machen Schneiden.

jove_content "> In der Simulationsabschnitt, der Stamm von Mises (ε vM) -Analyse der Lage ist , die lokale Verformung der Atomstruktur zu erfassen, die sehr schwierig in Experiment beobachtet werden. Es ist jedoch nicht möglich , die Phasentransformation zu charakterisieren. Hier schlagen wir einige nützliche Indizes wie Koordinationszahl und HA - Index 23 , um die Phasenumwandlung zu untersuchen. bei der Einstellung des Eindrucks Modell, müssen wir darauf hinweisen, dass die Größe des Substrats in Planrichtung mindestens dreimal so groß sein muss , als der Durchmesser der Sonde, die Größe Effekt und die Randbedingung Begrenzung zur Beseitigung, die die Dynamik und Kraftfluss der Atome beeinflussen würde.

Darüber hinaus aufgrund, auf die Frist von MD-Simulation des Eindringprozesses zu studieren, sollte die Sonde die Probe mit einer sehr schnellen Geschwindigkeit üben im Vergleich zu dem in Experiment. Wir nehmen zur Kenntnis, dass eine solche Ladegeschwindigkeit zu hoch ist, die seit langer Zeit zu kommen beiomic Diffusions- und Migrationsverhalten, aber es ist immer noch geeignet sind, die plastische Verformungsverhalten und Materialeigenschaften unter mechanischer Belastung 24 , da die Ergebnisse , wie etwa quasi-statischen Natur in 25 erkannt werden , zu beobachten und zu beschreiben. Eine alternative Theorie, genannt Parallel Replica Dynamik (PRD) 26 entwickelt wurde , um die Simulationszeit erheblich zu beschleunigen, aber es erfordert schwere Rechenressourcen.

Die Daten aus der MD - Simulation Studie erhalten wird , ist in Übereinstimmung mit dem AFM Vertiefung Experiment (Abbildung 8); Zusätzlich -embedded die Härte und verringerte Elastizitätsmodul des C 84 Si Substrat anderen Si - Substraten vergleichbar sind. Diese Daten deuten darauf hin , dass C 84 -embedded Substrate Si erhebliche Auswirkungen in optoelektronischen haben kann und magnetische Halbleiter (DMS) Nanomaschinen verdünnen.

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Disclosures

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer Si(111). Type/Dopant: P/Boron; Resistivity: 0.05-0.1 Ohm·cm
Carbon, C84 Legend Star C84 powder, 98%
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich 84422 RCA, 37%
Ammonium Choneye Pure Chemical RCA, 25%
Hydrogen peroxide Choneye Pure Chemical RCA, 35%
Nitrogen Ni Ni Air high-pressure bottle, 95%
Tungsten Nilaco 461327 wire, diameter 0.3 mm, tip
Sodium hydroxide UCW 85765 etching Tungsten wire for tip
Acetone Marcon Fine Chemicals 99920 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
Methanol Marcon Fine Chemicals 64837 suitable for liquid chromatography and UV-spectrophotometry
UHV-SPM JEOL Ltd JSPM-4500A Ultrahigh Vacuum Scanning Tunneling Microscope and Ultrahigh Vacuum Atomic Force Microscope
Power supply Keithley 237 High-Voltage Source-Measure Unit
SQUID Quantum desigh MPMS-7 Magnetic field strength: ±7.0 Tesla, Temperature range: 2–400 K, Magnetic-dipole range: 5 × 10-7 – 300 emu
ALPS National Center for High-performance Computing, Taiwan Advanced Large-scale Parallel Supercluster, 177Tflops; 25,600 CPU cores; 73,728 GB RAM; 1,074 TB storage

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References

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Technik Heft 115 Fullerene C Si-Substrat Elektronik Oberflächenmagnetismus Molekulardynamik Rastersondenmikroskopie Nanomechanik mechanische Eigenschaft Nanoindentierung Physik
Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics
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Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J. H., Chou, C. F., Lee, W. J. Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics. J. Vis. Exp. (115), e54235, doi:10.3791/54235 (2016).

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