Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التحقيق 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

تعرض هذه الورقة مصفوفة تصميم C 84 -embedded سي الركيزة ملفقة باستخدام يسيطرون على طريقة التجميع الذاتي في فراغ الغرفة عالية جدا. خصائص C 84 -embedded سطح سي، مثل قرار تضاريس الذري، والكثافة الإلكترونية المحلية للدول، والفرقة فجوة الطاقة، خصائص الانبعاثات المجال، وصلابة ميكانيكية نانوية، والمغناطيسية السطح، درست باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات التحليل السطحي تحت فائقة، فراغ عالية (الفائق) الظروف وكذلك في نظام الغلاف الجوي. وتظهر النتائج التجريبية التوحيد عالية من C 84 -embedded سي سطح ملفقة باستخدام آلية التجميع الذاتي تكنولوجيا النانو التي تسيطر عليها، يمثل تطورا هاما في تطبيق عرض الانبعاثات الميدان (FED)، الضوئية تصنيع الجهاز، ممس أدوات القطع، وفي الجهود العثور على بديل مناسب لأشباه الموصلات كربيد. ديناميات الجزيئية (MD) طريقة مع إمكانية شبه التجريبية يمكن بالبريد المستخدمة لدراسة nanoindentation من C 84 -embedded سي الركيزة. وتقدم وصفا مفصلا لأداء MD محاكاة هنا. وترد تفاصيل عن دراسة شاملة عن التحليل الميكانيكي لمحاكاة MD مثل قوة المسافة البادئة، معامل يونغ، وصلابة السطح، والإجهاد الذري، والضغط الذري. ويمكن حساب توزيعات الضغط العصبي والتوتر فون ميزس-ذرية من طراز المسافة البادئة لمراقبة آلية التشوه مع تقييم الوقت في مستوى ذري.

Introduction

جزيئات الفلورين والمواد المركبة التي تتكون هي مميزة بين المواد متناهية الصغر بسبب الخصائص الهيكلية ممتازة، وتوصيل كهربي، والقوة الميكانيكية، والخواص الكيميائية 1-4. وقد أثبتت هذه المواد مفيد للغاية في عدد من المجالات، مثل الالكترونيات وأجهزة الكمبيوتر وتكنولوجيا خلايا الوقود، والخلايا الشمسية، وتكنولوجيا الانبعاثات الحقل 5،6.

ومن بين هذه المواد، وقد تلقى كربيد السيليكون (كذا) المركبة جسيمات متناهية الصغر خاصة الاهتمام بفضل من فجوة واسعة النطاق، والموصلية الحرارية العالية والاستقرار، وارتفاع القدرة انهيار الكهربائية، وهمود الكيميائية. هذه الفوائد واضحة لا سيما في الأجهزة البصرية الالكترونية والمعادن أكسيد أشباه الموصلات حقل التأثير الترانزستور (MOSFET)، الثنائيات الباعثة للضوء (LED)، والطاقة العالية، عالية التردد، وتطبيقات ارتفاع في درجة الحرارة. ومع ذلك، عيوب عالية الكثافة لاحظ عادة على سطح conventiاونال كربيد السيليكون يمكن أن يكون لها آثار ضارة على التركيب الإلكتروني، حتى يؤدي إلى فشل الجهاز 7،8. على الرغم من أن تطبيق كربيد تمت دراسته منذ عام 1960، لا تزال هذه المشكلة لم تحل معينة.

وكان الهدف من هذه الدراسة هو تلفيق من C 84 -embedded متغاير سي الركيزة وتحليلها لاحقا للحصول على فهم شامل لخصائص الانبعاثات الإلكترونية، والضوئية والميكانيكية والمغناطيسية، ومجال المواد الناتجة. تناولنا أيضا مسألة استخدام المحاكاة العددية للتنبؤ خصائص المواد متناهية الصغر، من خلال تطبيق الرواية من العمليات الحسابية ديناميات الجزيئية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: توضح الورقة الأساليب المستخدمة في تشكيل مجموعة الفوليرين الذاتي تجميعها على سطح الركيزة شبه الموصلة. على وجه التحديد، نقدم طريقة جديدة لإعداد الركيزة السيليكون جزءا لا يتجزأ من الفوليرين لاستخدامها بوصفها باعث الحقل أو الركيزة في النظم الميكروية (MEMS)، والأجهزة البصرية الالكترونية في درجات حرارة عالية، عالية الطاقة، والتطبيقات، وكذلك في ارتفاع أجهزة -frequency 13/09.

1. تصنيع سداسي مغلقة المعبأة (المندوبية) Overlayer من C 84 على سي الركيزة

  1. إعداد النظيفة سي (111) الركيزة
    1. الموضوع سي الركيزة لRCA (مؤسسة الإذاعة الأمريكية) التنظيف، التي تنطوي على تطبيق مذيب تليها التدفئة في نظام خواء تام لإزالة طبقة أكسيد والشوائب من سطح الركيزة (انظر المواد الداعمة).
      ملاحظة: وهنا، فإن مصطلح "الفائق-الترا نظام عالية الفراغ" يشيرإلى فراغ أقل من 1 × 10 -8 با المستخدمة في إعداد سي (111).
  2. إيداع C 84 على السيليكون السطح عن طريق التبخر الحراري في النظام الفائق
    1. قبل حرارة المبخر K-الخلية مع إمدادات الطاقة الخارجية من خلال خيوط التدفئة إلى 500 درجة مئوية لتشجيع إطلاق الغازات من الشوائب.
    2. تحميل C 84 النانوية في وعاء K-الخلية. الكهربية تسخين K-خلية إلى 650 درجة مئوية. تبخير C 84 النانوية كما C 84 النانوية في حاوية يؤلف الأبخرة. تتبخر C 84 النانوية في خطوط مستقيمة حتى الإضراب النانوية ركيزة سي من خلال صمام التحكم في الضغط أقل من 5 × 10 -8 السلطة الفلسطينية.
  3. تضمين C 84 الجزيئات داخل سي السطحية عبر آلية التجميع الذاتي
    1. قبل يصلب سي (111) الركيزة في نظام خواء تام في 900 درجة مئوية للحصول على (1X1) الهياكل. خفض درجة الحرارة إلى 650 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لdeposition من جزيئات C 84 على سطح الركيزة.
    2. يصلب الركيزة سي في 750 ~ درجة مئوية لمدة 12 ساعة، وخلال الوقت الذي مسحوق-C 84 النانوية الذاتي-تجميع في مجموعة الفوليرين موحدة للغاية على سطح (111) الركيزة سي.
      ملاحظة: وهنا، فإن مصطلح "مجموعة الفوليرين موحدة للغاية" يشير إلى توزيع موحد للالفوليرين على الركيزة، والتي معظم الجسيمات النانوية هي موجهة في ترتيب التعاقد عمودي على سطح الركيزة. وساعد هذا التكوين للتأكد من أن الارتفاع الرأسي للمجموعة الفوليرين كان مطابق أساسا في جميع العينات.

2. قياسات خصائص الإلكترونية من C 84 -embedded سي الركيزة

  1. قياس الكثافة الإلكترونية المحلية للدول عن طريق الميكروسكوب الفائق المسح النفقي
    1. قياس منحنيات الرابع من ذرات معينة باستخدام الفائق-SPM
    2. مكان C 84
    3. انقر على "الرابع" البند قياس لقياس نفق الحالي أنا في قرار الذري. اختيار 20 شخصا على الأقل من مواقع معينة على C 84 -embedded الركيزة سي للمقاييس. حساب القيمة الوسطية لنفق التيار أنا أكثر من 20 مواقع معينة. تستمد أنا بوصفها وظيفة من الجهد. منحنيات مؤامرة الرابع.
    4. حساب مشتق من الأول (V) فيما يتعلق خامسا تحويل منحنيات الرابع لدي / DV بوصفها وظيفة من الجهد من أجل تحديد حالة الإلكترونية المحلية من C 84 -embedded سي الركيزة.
  2. قياس الفرقة فجوة الطاقة
    1. الحصول على منحنيات الرابع وفقا للإجراءات في 2.1.2 و2.1.3 من ما يلي: سي (111) سطح -7x7، سي (111) سطح -1x1، واحد الفردي C 84 النانوية في سي، 7-19 C 84مجموعات على سي، 20-50 C 84 مجموعات في سي، وأحادي الطبقة من C 84 جزءا لا يتجزأ من داخل سطح سي.
    2. حساب مشتق من الأول (V) فيما يتعلق خامسا تحويل منحنيات الرابع لدي / منحنيات DV لقياس الفروق الطاقة هومو-LUMO (المشار إليها فجوة الطاقة الفرقة) في كل موقع القياس، كما هو مبين في الشكل 2A.
  3. الحصول على الانبعاثات الميدان العقارات (FE)
    1. مكان C 84 -embedded سي الركيزة على صاحب العينة FE. تضاف حامل في غرفة التحليل FE. إخلاء الغرفة إلى الضغط من حوالي 5 × 10 -5 باسكال لقياس FE.
      ملاحظة: بمهامها و-embedded الركيزة السيليكون C 84 عندما الكاثود والتحقيق النحاس مع منطقة مستعرضة ~ 0.71 مم 2 يعمل بوصفه الأنود. وكانت المسافة بين الكاثود والأنود حوالي 590 ميكرون.
    2. زيادة الجهد تطبيقها يدويا على ركيزة من 100 فولت إلى 1100 خامسا قياس تتوافقجي الانبعاثات الحالية الحقل بوصفها وظيفة من الجهد التطبيقي باستخدام وحدة القياس مصدر الجهد العالي مع مكبر للصوت الحالي.
    3. حساب فاولر-نوردهايم ارتباط الانبعاثات المجال وفقا للوظيفة العمل ~ 5 فولت كما هو مبين في الشكل 2B.
    4. الحصول على عامل هندسي تعزيز الميدان (β) على النحو التالي: F (حقل) = β (V / د) مع قيمة β ما يقرب من 4383.
    5. الحصول على مجال الانهيار الكهربي في ظل فراغ على أساس المنحدر من اللوغاريتم الطبيعي (J / E 2) مقابل (1 / E)، الذي قدم لنا قيمة ~ 4.0 × 10 6 V / سم للC 84 -embedded سي الركيزة كما هو مبين في الشكل 2C.
  4. خصائص الضوئية
    1. نقل التجارب الركيزة لنظام قياس الانبعاثات الضوئية. التركيز على مصدر الليزر والمضغوط مع 325 نانومتر الانبعاثات على الركيزة التي تقع في وسط حجرة العينة. انشاء مطياف في موقف مناسب. استخدام جمعية مهندسي البترولctrometer للحصول على الطيف معان ضوئي من خلال جمع وتحليل الفوتونات التي تنبعث منها. تظهر النتيجة الضوئية في الشكل 2D.

3. القياسات المغناطيسية السطحية

  1. الحصول على MFM (المغناطيسي قوة المجهر) تضاريس.
    1. جذب عينات من C 84 -embedded سي قبل لقياسات MFM عن طريق تطبيق المغناطيس مع قوة المجال ما يقرب من 2 خليهن ولد الرشيد.
    2. ضع عينة ممغنط على مرحلة عينة MFM. انقر على البند "الحصول MFM تضاريس". مراقبة المجهرية الفوليرين في المجال المغناطيسي جزءا لا يتجزأ من داخل الركيزة سي باستخدام MFM في وضع المصعد مع تطبيق مغنطة عمودي على سطح العينة.
    3. استخدام نانو النطاق PPP-MFMR ناتئ لقياس MFM (الشكل 3A). تحديد المغناطيسية السطح إذا ظهر MFM تضاريس المظلم (أكثر إشراقا) عندما تحين اللحظة المغناطيسية للطرف هي في سامه (المعاكس) اتجاه حظة الركيزة.
  2. الحبار (فائق التوصيل الكم تدخل الجهاز) قياس
    1. إعداد أحادي الطبقة من C 84 -embedded سي الركيزة وC 84 مجموعات على C 84 جزءا لا يتجزأ من الركيزة سي.
    2. جذب عينات من C 84 -embedded سي وC 84 مجموعات على C 84 جزءا لا يتجزأ سي الركيزة قبل التجارب الحبار من خلال تطبيق المغناطيس مع قوة المجال ما يقرب من 2 خليهن ولد الرشيد.
    3. وضع العينة في الحبار. تطبيق مجال مغناطيسي كاسح في مجموعة من ~ 2 خليهن ولد الرشيد. الحصول على الحلقات مغنطة تآمر مقابل المجال المغناطيسي الخارجي في القياسات الحبار في درجة حرارة الغرفة.
      ملاحظة: منحنى MH الحال بالنسبة للمادة المغناطيسية يمكن الحصول على النحو المبين في الشكل 3B.

4. قياس خصائص ميكانيكية نانوية التي كتبها فؤاد

ملاحظة: مجهر القوة الذرية (AFM) توفرأداة قوية لتوصيف خصائص المواد والميكانيكية في الدقيقة وجداول نانو في الهواء، وكذلك في بيئة الفائق

  1. قياس صلابة من C 84 جزءا لا يتجزأ من سي الركيزة تحت ظروف الغلاف الجوي
    1. وضع الركيزة في مرحلة عينة فؤاد. اسحب طرف حاد على ركائز باستخدام الماسح الضوئي. رصد النزوح من طرف كمقياس للقوات التفاعل طرف عينة. تسجيل الحركات في كثير من المسافات طرف عينة على طول الاتجاه الرأسي في موقف معين عن طريق النقر على بند "قياس قوة".
    2. الحصول على قياسات القوة باستخدام AFM تحت الظروف الجوية من الركيزة سي تنظيف RCA-2-3 مع طبقة نيوتن متر من أكسيد الطبيعي وكذلك من 84 C -embedded سي الركيزة وركيزة سي مغلفة بغشاء رقيق من كربيد.
    3. باستخدام برنامج AFM، رسم منحنيات القوة لمسافات تحت الظروف الجوية.
      ملاحظة: كان ناتئ فؤاد التحقيق سي مع دائرة نصف قطرها غيض من~ 5-20 ثابت نانومتر، وربيع ~ 40 نيوتن / متر.
  2. قياس صلابة من C 84 جزءا لا يتجزأ من سي الركيزة في غرفة الفائق
    1. الحصول على قياسات القوة وفقا لتوجيهات 4.1.1 باستخدام AFM في النظام الفائق من سي الركيزة تنظيف RCA، وسي (111) سطح -7x7 نظيفة، وهي C 84 -embedded سي الركيزة، الركيزة والركيزة سي المغلفة مع طبقة رقيقة من كربيد.
    2. رسم منحنيات القوة لمسافات في النظام الفائق. ملاحظة: كان ناتئ فؤاد التحقيق سي مع دائرة نصف قطرها غيض من ~ 5-20 نانومتر والربيع ثابت ~ 40 نيوتن / متر الشكل 4 يقدم تحليل قوة مسافة سطح سي المختلين، 7 × 7 السطح، الذاتي واحدة طبقة تجميعها من C 84 جزءا لا يتجزأ من داخل سطح سي، وسطح سي، على النحو الذي تحدده باستخدام الفائق-فؤاد.

5. قياس خصائص ميكانيكية نانوية من قبل MD المحاكاة

ملاحظة: في قسم المحاكاة، OVITO 16 (visualizati مفتوح المصدرعلى البرمجيات)، وتستخدم OSSD 17 (قاعدة بيانات الهيكل المفتوح السطح) لإنشاء نموذج المحاكاة والنتائج التصور. يعمل LAMMPS 14 (مفتوح المصدر ديناميات الجزيئية (MD) حزمة المحاكاة) لإجراء محاكاة nanoindentation وتحليل محاكاة نتائج 15. يتم تنفيذ كافة الوظائف محاكاة مع الحوسبة المتوازية في المتقدم واسعة النطاق فائق الموازي (جبال الألب) من NCHC.
ملاحظة: لدراسة C 84 أحادي الطبقة / سي الركيزة متغاير باستخدام MD محاكاة، ينبغي للمرء أن إعداد نموذج المحاكاة من خلال عدة خطوات للحصول على استرخاء C 84 أحادي الطبقة جزءا لا يتجزأ في الركيزة سي. لاحظ أنه من الصعب لتوليد بالضبط نفس هيكل من البيانات التجريبية، بسبب عقدة هيكل أمور بين C 84 أحادي الطبقة وسي (111) الركيزة متغاير. ونتيجة لذلك، ونحن نستخدم وسيلة مصطنعة لتوليد نموذج المحاكاة مع العديد من الخطوات الإجرائية،الذي هو موضح في الشكل (5). ووصف التفاصيل في البروتوكولات التالية. نحن تصف كيفية إعداد المعلمة من MD في LAMMPS، إقامة مريحة C 84 فوليرين أحادي الطبقة جزءا لا يتجزأ في الركيزة، نفذ إجراء المسافة البادئة، وتحليل نتائج المحاكاة.

  1. إعداد المعلمة في LAMMPS مدخلات الملف
    1. استخدام أمر الحدود لضبط شروط الحدود دورية في X- و-الاتجاهات ذ.
    2. استخدام "الإصلاح سرعة" الأمر لتعيين السرعة الأولي مع توزيع جاوس على كل ذرة من هذا النظام، بشكل عشوائي.
    3. استخدام "إصلاح pair_style" الأمر لتعيين Tersoff 18 و 19 AIREBO إمكانات لوصف سي سي وسي C التفاعل والتفاعل CC، على التوالي.
    4. استخدام "NVT الإصلاح" و "إصلاح معاهدة حظر الانتشار النووي" الأمر إلى اعتماد طريقة الأنف هوفر 20 للتأكد من بقاء النظام في درجة الحرارة المطلوبة والضغط لجينمعدل والكنسي ومتساوي إسوي الضغط الفرقة 20، في أي نظام يعمل فيها خوارزمية سرعة-Verlet 20 التنبؤ مسارات الذرات. استخدام كل من "NVT الإصلاح" و "تشغيل" أوامر لتحديد معدل التبريد من 3 ك / psec لعملية الصلب.
    5. استخدام "خطوة زمنية" الأوامر لتعيين خطوة وقت 0.2 fsec مثل التكامل الوقت.
    6. استخدام "إصلاح الجدار / تعكس" الأمر إلى تبني الجدار الذي ينعكس على حصر درجة حرية (5.3.2).
    7. استخدام "المنطقة" و "الجماعة" لتقسيم الركيزة في طبقات التحكم المختلفة (5.4.3): طبقة ذرة نيوتن، وطبقة التحكم الحراري، وطبقة ثابتة أسفل، والتي يمكن إعدادها باستخدام "نفيه الإصلاح"، " إصلاح NVT "، و" إصلاح setforce "الأوامر، على التوالي.
    8. استخدام "المنطقة" و "create_atoms" أوامر لخلق التحقيق كروية.
    9. استخدام "الإصلاح خطوة" الأمر لتضمين أحادي الطبقة C84 إلى الركيزة (5.4.2) ونقل التحقيق خلال المحاكاة (5.5.2).
    10. استخدام "المدى" الأوامر لتنفيذ محاكاة MD.
    11. استخدام "القوة حساب" (5.6.1) و "التوتر حساب / ذرة" (5.6.4) أوامر لتقييم التوتر وتسنن قوة نووية.
      ملاحظة: في ما يلي، باستثناء تأسيس هيكل، وفعلت كل الخطوات التي كتبها النصي LAMMPS.
  2. استخدام OSSD وOVITO لإعداد السيليكون (111) 7 × 7 السطح.
    1. تشغيل البرنامج OSSD. انقر على زر "بحث". وتقدم "معايير البحث" لوحة. اختار سي الركيزة، نوع عنصر، هيكل أعيد بناؤها، والكهرباء أشباه الموصلات، شعرية الماس، 111 وجه و 7 × 7 نمط. انقر على "البحث" و "قبول" أزرار. وتقدم "قائمة هيكل" لوحة. انقر الهيكل المطلوب (أي، سي (111) 7 × 7). انقر على زر "ملف". حفظ ملف التنسيق كما .xyz الملف.
      ملاحظة: نشير إلى أن الهيكليةقاعدة بيانات المستخرجة من OSSD ليست كبيرة بما فيه الكفاية لمحاكاة المسافة البادئة لدينا. ونتيجة لذلك، نعيد بناء ركيزة أكبر وأكثر سمكا من الخطوات التالية.
    2. تشغيل البرنامج OVITO. تحميل الملف .xyz إلى OVITO. استخدام "شريحة" الأمر لالتقاط سوبرسل من سي (111) 7 × 7 السطح مع حجم 26،878 46،554 س 2 في العاشر والتوجيه ذ. تصدير ملف البيانات. استخدام "شريحة" الأمر لالتقاط سوبرسل الركيزة أسفل سي (111) مع حجم 26،878 46،554 خ خ 9.7 Å 3. استخدام "إظهار الصور دورية" الأمر لتكرار سوبرسل 12 مرة في الاتجاه ض. تصدير ملف البيانات.
    3. الجمع بين ملفات البيانات من سي (111) 7 × 7 السطحية وسي (111) نماذج الركيزة التي كتبها المفكرة ++ (حر محرر شفرة المصدر). وأخيرا، تحميل البيانات دمجها OVITO. استخدام "إظهار الصور دورية" لتكرار سوبرسل 5 × 3 في العاشر والاتجاهات ذ لتكبير حجم الركيزة.
    4. استخدام LAMMPS إجراء 20 psecMD محاكاة الوقت للاسترخاء نموذج المحاكاة. في ما يلي، إجراء عملية إخماد من 1550 K إلى درجة حرارة الغرفة لمدة 500 مرة محاكاة psec. وأخيرا، إجراء محاكاة الوقت 10 psec لعملية الاسترخاء النهائية.
  3. إعداد C 84 الفوليرين أحادي الطبقة
    1. تحميل ملف تنسيق الهيكل الأمثل للC 84 فوليرين من شبكة الإنترنت 21 و كتابة برنامج FORTRAN لتكرار 49 C 84 الفلورين مرتبة في هيكل العسل.
    2. استخدام LAMMPS لإعداد تعكس الجدران عليها وتحت أحادي الطبقة C 84 للتأكد من أن الجزيئات البقاء على الخطة. إجراء الوقت MD محاكاة ل 200 psec للاسترخاء نموذج المحاكاة. في ما يلي، إجراء عملية إخماد من 700 ك إلى درجة حرارة الغرفة للحصول على الحد الأدنى من الدولة غلوب عن 500 psec الوقت المحاكاة. وأخيرا، إجراء محاكاة الوقت 10 psec لعملية الاسترخاء النهائية.
  4. إنشاء Indentaنموذج نشوئها C 84 الفوليرين واحد رقائق السيليكون على (111) 7 × 7 السطح.
    1. كتابة رمز FORTRAN لوضع أحادي الطبقة C 84 على سي (111) 7 × 7 السطح مع مسافة 3 Å لإنشاء نموذج المسافة البادئة.
    2. استخدام LAMMPS لتضمين أحادي الطبقة C 84 إلى الركيزة مع عمق 2 ~ 3 Å. في ما يلي، تشغيل محاكاة الوقت 40 psec للاسترخاء النظام. وأخيرا، يصلب النظام إلى درجة حرارة الغرفة.
    3. تقسيم الركيزة السيليكون إلى الطبقة العليا نيوتن ذرة، وطبقة التحكم الحراري، وطبقة ثابتة أسفل، والتي هي 0.7 و 2 و 5.3 نانومتر في السمك، على التوالي. تم غرار الطبقات الوحيدة C 84 أيضا ذرة نيوتن.
  5. عملية المسافة البادئة MD
    1. استخدام LAMMPS لخلق التحقيق كروية مع 5nm في قطر على 84 / سي وضع سطح C (111) 7 × 7 (الشكل 5). تم تعيين التحقيق كهيئة جامدة. تحديد سرعة ثابتة 10 م / ثانية على العلاقات العامةوسام الإمبراطورية البريطانية للتحرك في اتجاه نزولي العينة في عملية المسافة البادئة.
    2. نقل التحقيق الى اسفل الى عينة بسرعة ثابتة حتى عمق تحميل محدد (أي، بما في ذلك حالات 1.5، 2.5، 4.5، 10، 15، 20، و 30 Å وذلك لاستكشاف تأثير C 84 الفلورين أحادي الطبقة على الركيزة سي، حيث حجم C 84 فوليرين 11 أ) في عملية التحميل. عقد لجنة التحقيق في الركيزة في عملية عقد لإتاحة الفرصة لتخفيف الذرات. وأخيرا، استخراج التحقيق من الركيزة بسرعة ثابتة في عملية التراجع.
  6. حساب وتحليل
    1. حساب قوة المسافة البادئة عن طريق جمع القوة العمودية للذرات في التحقيق وفقا للصيغ التالية:
      معادلة (1)
    2. استخراج انخفاض معامل وصلابة من منحنى قوة مسافة المسافة البادئة. وبناء على أوليفر وفار & #39؛ ق الطريقة 22، وجود علاقة خطية يمكن أن تستمد بين معامل يونغ وصلابة التفريغ. صلابة (أي، المنحدر من الجزء الأول) ويعرف منحنى التفريغ كما
      معادلة (2)
      حيث P، ح، أ، و E ص هي حمولة المسافة البادئة، والتشريد مرونة من التحقيق، منطقة المتوقعة للتسنن، وانخفاض معامل. β (= 1 لإندينتر التعميم) هو العامل الذي يحدد شكل التعديل. العلاقة بين انخفاض معامل ومعامل يونغ يمكن أن يكتب
      معادلة (3)
      حيث E والخامس ومعامل يونغ، ونسبة بواسون للعينة وE ط والخامس ط هي معامل يونغ، ونسبة بواسون للإندينتر.
    3. حساب صلابة عن طريق تعريف H = P أماهس / A، حيث P ماكس و A هي أقصى قوة المسافة البادئة ومنطقة المتوقعة من التحقيق.
    4. حساب الإجهاد الذري فيريال 22 على م طائرة الركيزة في -direction ن من قبل
      معادلة (4)
      حيث م ط هو كتلة ذرة ط. معادلة و معادلة هي مكونات سرعة ذرة أنا في م - ن و-directions، على التوالي؛ V i هو حجم المخصصة حول ذرة ط؛ ن ق هو عدد الجزيئات الموجودة داخل المنطقة S، حيث يتم تعريف S باسم منطقة التفاعل الذري ، Φ (ص ط) هي وظيفة المحتملة؛ ص ط هي المسافة بين الذرات i و و معادلة هي م - ن و-direction مكونات متجه من ذرة وأنا لذرة ي.
    5. استخدام OVITO لإظهار سلالة فون ميزس-كل ذرة ثابتة وفقا للصيغ التالية:
      معادلة (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

كانت ملفقة وأحادي الطبقة من C 84 الجزيئات على (111) سطح سي المختلين باستخدام عملية التجميع الذاتي للرقابة في غرفة الفائق الشكل 1 يبين سلسلة من الصور الطبوغرافية تقاس الفائق-STM مع درجة مختلفة من التغطية: (أ) 0.01 ML، (ب) 0.2 ML، (ج) 0.7 ML، و (د) 0.9 ML. وقد تم التحقيق خصائص الإلكترونية والبصرية للC 84 جزءا لا يتجزأ من الركيزة سي أيضا باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات التحليل السطحي، مثل STM وPL (الشكل 2). شرح خصائص المواد ممتازة من العينات الناتجة كيف تكنولوجيا النانو يمكن استخدامها للتحكم في المسألة في atomic- وجداول نانو. تظهر MFM والحبار النتائج في الشكل 3 المغناطيسية سطح C 84 الركيزة جزءا لا يتجزأ من الشكل 4 يقدم نتائج الفائق-AFM التي تشير إلى ميكانيكا النانو الركيزة المقترحة. تظهر لنا النتائج التجريبية إمكانات C 84 الشكل 4).

في قسم المحاكاة، ويتم الانتهاء من جميع الإجراءات باستخدام LAMMPS لأداء المحاكاة MD. يتم حساب الخواص الميكانيكية (قوة المسافة البادئة والإجهاد الاتصال) الفوليرين جزءا لا يتجزأ من الركيزة ويظهر في الشكل (6). وتستخدم في تحليل سلالة فون ميزس-الذرات في خطوة زمنية مختلفة لوصف تشوه المحلي. لقطات المقابلة بوصفها وظيفة من عمق المسافة البادئة يمكن أن ينظر في إدراج الشكل 6، التي حسبت وتصور من قبل OVITO. وتستخدم نتائج قوة المسافة البادئة بوصفها وظيفة من عمق المسافة البادئة لحساب H صلابة (الشكل 7A)، وانخفاض معامل E <فرعية> ص (7B الشكل)، وتصلب تحميل S (الشكل 8) من C 84 أحادي الطبقة. نتائج يمكن مقارنتها مع تلك التي تحددها التجربة ويوفر نقطة مزيد من التفاصيل من أجل تفسير التغير في الملكية الميكانيكية.

شكل 1
الشكل 1: C 84 جزءا لا يتجزأ من الركيزة سي مع تغطية مختلفة سلسلة من STM الصور الطبوغرافية (40 × 40 نانومتر 2) تظهر C 84 الجزيئات كثف على سي (111) السطح في عينة التحيز السلبي من 2 V، مقاسا الفائق-STM. مع درجة مختلفة من التغطية: (أ) 0.01 ML، (ب) 0.2 ML، (ج) 0.7 ML، و (د) 0.9 ML.

الشكل 2
الشكل 2: الخصائص الإلكترونية القياسات على C 84 جزءا لا يتجزأ من سي الركيزة (أ) رابعا المنحنيات والتفضيلية تصرف المشتقة (DI / DV) مقابل منحنى الجهد من طبقة واحدة من C 84 الذاتي تجميعها، على النحو الذي يحدده الفائق-STM. . (ب) الانبعاثات الميدان الكثافة الحالية مقابل منحنى الحقل الكهربائي. (ج) الموافق FN مؤامرة من السطح مع جزءا لا يتجزأ من C 84، كما تم قياسها باستخدام وحدة مصدر التدبير؛ (د) الطيف معان ضوئي من طبقة واحدة من C 84 الذاتي تجميعها. إعادة طبع بإذن من المرجع 12. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3): المغناطيسية على سطح C 84 جزءا لا يتجزأ من سي الركيزة (أ) صورة MFM سي الركيزة جزءا لا يتجزأ مع C 84؛ (ب) المغنطة حلقة تآمر ضد المجال المغناطيسي الخارجي الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4: التحقيق النانوميكانيكية على C 84 جزءا لا يتجزأ من الركيزة سي تحليل القوة لمسافات من سطح سي المختلين، 7 × 7 السطح، طبقة واحدة من C 84 جزءا لا يتجزأ من داخل سطح سي، وسطح سي الذاتي تجميعها، كما هو محدد باستخدام الفائق-AFM. إعادة طباعة بإذن من المرجع 11. الرجاء انقر هنالعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5: تدفق الرسم البياني لإنشاء نموذج محاكاة توضيح وإثارة الإعداد في محاكاة MD من طبقة واحدة C 84 و سي السطحية (111) 7 × 7 إلى أحادي الطبقة C 84 تضمين في سي (111) 7 × 7 نموذج. يمكن أن ينظر إلى الإجراءات بالتفصيل في المادة 5 من البروتوكول. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6: قوة المسافة البادئة والاتصال الإجهاد تحليل قوة المسافة البادئة (أسود) والاتصال الإجهاد (الأزرق) من C 84 كدالة للعمق المسافة البادئة. إدراج تظهر لقطات المقابلة، حيث يشير إلى لون مختلف المقابلة فون ميزس سلالة (ε VM) من كل الذرات. لمسح عرض توطين سلالة، إلا أن الذرات مع ε VM> ترد 0.08 في اللقطة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7:. صلابة وخفض تحليل معامل (أ) صلابة و (ب) انخفاض الاختلاف معامل بوصفها وظيفة من عمق المسافة البادئة للأحادي الطبقة C 84 على سطح سي الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

together.within الصفحات = "1"> شكل 8
الرقم 8: تحليل صلابة تحميل. تحميل صلابة بوصفها وظيفة من المسافة التي يحددها المحاكاة MD مقارنة مع تلك التي التجارب AFM للC 84 / سي. تعديل من إشارة 16. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذه الدراسة، ونحن لشرح تصنيع أحادي الطبقة الذاتي تجميعها من C 84 على ركيزة سي من خلال عملية الصلب رواية (الشكل 1). ويمكن أيضا أن هذه العملية أن تستخدم لإعداد أنواع أخرى من ركائز أشباه الموصلات جزءا لا يتجزأ من جسيمات متناهية الصغر. وC 84 -embedded تميزت سي الركيزة على المستوى الذري باستخدام الفائق-STM (الشكل 2)، مطياف الانبعاث المجال، التحليل الطيفي الصور التلألؤ، MFM والحبار (الشكل 3).

قوة التصاق الموافق خصائص نانو ميكانيكال (أي الضغط) من C 84 -embedded ركائز سي يمكن قياسها باستخدام AFM (الشكل 4). نتائجنا تظهر أن صلابة من C المقترحة 84 -embedded سي الركيزة هي مماثلة لتلك التي من كربيد وسي الأسطح، مما يجعلها قابلة للتطبيق كمادة كاشطة لأدوات بالإضافة إلى فيلم في الأجهزة ممس القطع.

jove_content "> في قسم المحاكاة، وسلالة فون ميزس (ε VM) تحليل قادر على الكشف عن تشوه المحلي التركيب الذري، وهو أمر صعب للغاية التي يجب مراعاتها في التجربة. ومع ذلك، فإنه ليس من الممكن لوصف مرحلة التحول. هنا، نقترح بعض المؤشرات المفيدة مثل عدد التنسيق ومؤشر HA 23 لدراسة مرحلة التحول. وفي الإعداد للنموذج المسافة البادئة، علينا أن نشير إلى أن حجم الركيزة في اتجاه والخطة يجب أن تكون على الأقل ثلاث مرات أكبر من قطر التحقيق للقضاء على تأثير حجم والحد حالة الحدود، التي من شأنها أن تؤثر على ديناميات وتدفق القوة من الذرات.

وبالإضافة إلى ذلك، ويرجع ذلك إلى حد الساعة من محاكاة دكتوراه في الطب، لدراسة عملية المسافة البادئة، يجب التحقيق تمارس العينة مع سرعة عالية جدا مقارنة بما كان عليه في التجربة. ونلاحظ أن مثل سرعة تحميل عالية جدا ليخرج منذ فترة طويلة فيOMIC نشر والهجرة السلوك، لكنه لا يزال مناسبة لمراقبة ووصف سلوك التشوه والمواد البلاستيكية خصائص تحت تحميل الميكانيكية 24 لأن النتائج التي يمكن أن يعترف به تقريبا شبه ثابت في الطبيعة 25. وقد تم تطوير نظرية بديلة، واسمه ديناميات طبق الاصل المتوازية (دبا) 26، تحقيق زيادة كبيرة محاكاة الوقت، ولكنه يتطلب موارد الحوسبة الثقيلة.

البيانات التي تم الحصول عليها من الدراسة محاكاة MD متفقة مع التجربة AFM المسافة البادئة (الشكل 8). بالإضافة إلى ذلك، -embedded صلابة وانخفاض معامل للC 84 سي الركيزة قابلة للمقارنة مع ركائز سي أخرى. وتشير هذه البيانات إلى أن 84 C -embedded ركائز سي يمكن أن يكون لها تأثيرات هامة في الكتروضوئي وتمييع أشباه الموصلات المغناطيسية (DMS) الأجهزة النانوية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. Ho, M. S., Huang, C. P. , 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).

Tags

الهندسة، العدد 115، الفوليرين، C
التحقيق C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded سي الركيزة عن طريق المجهر التحقيقي وحيوية الجزيئية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ho, M. S., Huang, C. P., Tsai, J.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter