Зондирование C

Целью данного исследования является изготовление гетероперехода на кремниевой подложке с внедренным C84 и последующий анализ для получения всестороннего понимания электронных, оптоэлектронных, механических, магнитных свойств и характеристик полевой эмиссии полученных материалов. Наноматериалы, находящиеся в разработке, представляют собой растущий тренд материальной революции. С помощью сканирующего зондового микроскопа мы сможем определить характеристики наноструктур на поверхностях с достаточным разрешением.

С помощью моделирования молекулярной динамики мы можем отслеживать атомное и механическое поведение процесса индентирования в зависимости от типа материала. Все расчеты были выполнены с использованием параллельных вычислений на суперкластере ALPS NCHC, а вся экспериментальная часть работы была проведена в лаборатории нанонауки NCHU. Демонстрацию процедур проводят Че-Фу, Пэй-Фан, Я-Чи и Вэй-Пин из моей группы.

Сначала подвергните подложку из кремния 111 очистке, включающей обработку растворителем с последующим нагревом в системе сверхвысокого вакуума для удаления слоя оксида и примесей с поверхности подложки. Для осаждения C84 на поверхность кремния предварительно нагрейте испаритель Castle с внешним источником питания через нагревательные нити до 500 °C, чтобы способствовать дегазации примесей. Затем загрузите наночастицы C84 в контейнер Castle.

Затем резистивно нагрейте тигель до 650 °C для испарения наночастиц C84. Теперь испаряйте наночастицы C84 прямыми линиями до их осаждения на кремниевую подложку через регулируемый клапан при давлении ниже 5 × 10⁻⁸ Па. После этого предварительно прогрейте кремниевую подложку ALBA (111) в системе сверхвысокого вакуума при 900 °C для получения структур 1×1.

Снизьте температуру до 650 °C на 30 минут для осаждения наночастиц C84 на поверхность подложки. На кремниевой подложке ALBA при температуре примерно 750 °C в течение 12 часов порошкообразные наночастицы C84 самоорганизуются в высокооднородный фуллереновый слой на поверхности кремниевой подложки 111. После этого поместите кремниевую подложку с внедренными частицами C84 в держатель образцов для сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

Перенесите образец из обмена-камеры в камеру подготовки образцов. Установите держатель в систему сканирующей головки UHV-STM и перенесите образец в камеру наблюдения. Затем проведите развертку приложенного смещения на образце от минус пяти до пяти вольт.

Затем нажмите на пункт измерения IV-характеристик, чтобы измерить «глаз» туннельного тока с атомным разрешением. Выберите для измерений не менее 20 конкретных участков на кремниевой подложке с внедренным C84. Для измерения энергии запрещенной зоны получите IV-кривые, как описано ранее, на поверхностях, указанных в текстовом протоколе.

После этого поместите кремниевую подложку с внедренным C84 в держатель для образцов полевой эмиссии (FE). Вставьте держатель в камеру для FE-анализа. Затем откачайте воздух из камеры до давления примерно 5 × 10⁻⁵ Па для проведения FE-измерения.

Вручную увеличьте приложенное к подложке напряжение со 100 до 1 100 вольт. Измерьте соответствующий ток полевой эмиссии в зависимости от приложенного напряжения, используя измерительный блок источника высокого напряжения с усилителем тока. Затем поместите исследуемую подложку в центр камеры для образцов системы измерения оптической эмиссии.

Затем сфокусируйте источник излучения гелий-кадмиевого лазера с длиной волны 325 нанометров. После настройки спектрометра зарегистрируйте спектр фотолюминесценции путем сбора и анализа излучаемых фотонов. Перед проведением магнитной силовой спектроскопии или МСМ-измерений намагнитьте образцы кремниевой подложки с внедренным C84, приложив магнит с напряженностью поля примерно 2 килоэрстеда.

После размещения намагниченного образца на предметном столике MFM изучите микроструктуру фуллерена в магнитном домене, встроенном в кремниевую подложку, используя MFM в режиме lift-mode при приложении намагничивания перпендикулярно поверхности образца. После этого намагничьте образцы кремниевой подложки с внедренным C84 и кластеры C84 на кремниевой подложке с внедренным C84 перед проведением экспериментов с использованием SQUID, применив магнит с напряженностью поля примерно 2 kilo oersted. Поместите намагниченный образец в SQUID.

Затем приложите развертывающее магнитное поле в диапазоне примерно 2 килоэрштед. Постройте петли намагничивания в зависимости от внешнего магнитного поля с помощью SQUID-измерений при комнатной температуре. Для измерения жесткости кремниевой подложки с внедренным C84 сначала поместите одну из подложек на предметный столик АСМ (атомно-силового микроскопа).

Затем проведите измерения силы при атмосферных условиях на соответствующих кремниевых подложках. Проведите измерения силы на соответствующих кремниевых подложках с использованием АСМ и системы СВСВ, как было описано ранее. Для подготовки кремниевой подложки запустите программное обеспечение OSSD.

Нажмите кнопку поиска, чтобы открыть панель критериев поиска. Выберите кремниевую подложку (silicon substrate), элементный тип (elemental type), реконструированную структуру (reconstructed structure), полупроводниковый электрод (semi-conductor elec), алмазную решетку (diamond lattice), грань 111 (111 face) и структуру семь на семь (seven by seven pattern). Затем нажмите кнопки поиска и подтверждения, чтобы отобразить панель со списком структур.

Выберите нужную структуру поверхности кремния 111 7x7. Затем нажмите кнопку «File» (Файл) и сохраните файл координат в формате xyz. После этого запустите программное обеспечение Ovito, загрузите в него xyz-файл и с помощью команды «slice» (срез) выделите суперячейку структуры поверхности кремния 111 7x7 соответствующего размера: 26.878 по X и 46.554 Å по Y.

Используйте команду simulation cell для настройки размера ячейки по осям X и Y и смещения ячейки в начало координат (точка ноль). Примените аффинное преобразование, нажав transform matrix, чтобы сместить модель на 5,714 ангстрема в нормальном направлении. Используйте команду slice, чтобы отсечь самый нижний слой атомов в нормальном направлении.

Экспортируйте файл данных в формате LAMMPS. В формате файла данных LAMMPS будут определены границы ячейки. Загрузите данные в формате LAMMPS обратно в Ovito.

Используйте команду wrap at periodic boundaries для переупорядочивания структуры внутри ячейки. Используйте аффинное преобразование, нажав на кнопку transform matrix, чтобы сместить модель на 84.6 angstroms в нормальном направлении. Используйте команду simulation cell для изменения размера ячейки до 150 angstroms в направлении Z.

Экспортируйте файл данных в формате LAMMPS. Загрузите данные в Ovito. Используйте функцию отображения периодических образов (show periodic images), чтобы создать суперячейку размером 5х3 в направлениях X и Y для увеличения размера подложки.

Экспортируйте файл данных в формате LAMMPS. После подготовки файла координат суперячейки кремния (111) соответствующего размера загрузите данные в Ovito. Используйте функцию «show periodic images» (показать периодические изображения), чтобы продублировать суперячейку в размере 5×3×8 по направлениям X, Y и Z для увеличения размера подложки.

Используйте аффинное преобразование и выберите матрицу преобразования, чтобы сместить модель в начало координат по оси Z на 37.6184 ангстром. Экспортируйте файл данных в формате LAMMPS. Объедините файлы данных поверхности кремния 111 семь на семь и модели подложки кремния 111 с помощью текстового редактора.

Модель подложки кремния 111 7x7 готова. Для подготовки монослоя фуллерена C84 загрузите файл координат фуллерена C84 из сети. Используйте самописную программу для дублирования фуллеренов C84 в массиве 7x7, расположенных по структуре пчелиных сот.

Затем с помощью самописной программы разместите монослой C84 на поверхности кремния 111 (7x7) с расстоянием 3 Å. Используйте команду load data для загрузки модели моделирования в скрипт LAMMPS. После этого используйте команды set up the region и create atom для создания сферического зонда диаметром 5 нм.

Наконец, подготовьте входной скрипт LAMMPS для моделирования индентации и рассчитайте детальные механические свойства. Монослой молекул C84 на разупорядоченной поверхности кремния (111) был создан с использованием процесса контролируемой самосборки; здесь представлены серии топографических изображений, полученных с помощью UHV-STM при различных степенях покрытия. Электронные и оптические свойства кремниевой подложки с внедренными молекулами C84 были исследованы с помощью СТМ и методов анализа фотолюминесценции.

Превосходные свойства материалов образцов демонстрируют, как нанотехнологии могут быть использованы для контроля вещества на атомном и наноразмерном уровнях. Результаты MFM и SQUID показывают поверхностный магнетизм подложки с внедренными C84. Результаты UHV-AFM демонстрируют потенциал кремниевой подложки с внедренными C84 в качестве альтернативы полупроводниковому карбиду в наноэлектронных устройствах для применения в условиях высоких температур, высокой мощности и высокой частоты.

А также в магнитных и микроэлектромеханических системах. Здесь показан процесс молекулярно-динамического моделирования наноиндентирования подложки с внедренными C84. Здесь представлены механические свойства подложки с внедренными фуллеренами.

Соответствующие снимки в зависимости от глубины индентации представлены здесь. Результаты измерения силы индентации в зависимости от глубины индентации используются для расчета твердости, приведенного модуля и жесткости при разбухании монослоя C84. В настоящее время широко распространено мнение, что наноматериалы обеспечат значительный прогресс в науке и технологиях благодаря их слоистой структуре, а также химическим, физическим и механическим свойствам.

Использование всего одного монослоя фуллерена позволяет существенно изменить свойства кремниевой подложки. В нашем исследовании показано, что кремниевая подложка с внедренным фуллереном обладает волнообразным краем, хорошими эмиссионными свойствами и высокой прочностью, а также проявляет магнитные свойства фуллерена. Полагаю, что предложенные нами подложки обеспечат более эффективную работу в широком спектре приложений нанотехнологий.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как проводить эксперименты и моделирование поверхностного магнетизма. Демонстрация этих комплексных методов откроет исследователям путь к изучению фундаментальных свойств материалов.