Waiting
Login processing...

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

Engineering

גשוש 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

מאמר זה מדווח מערך מעוצב C 84 -embedded מצע Si מפוברק באמצעות שיטה להרכבה עצמית מבוקרת בתא ואקום אולטרה-גבוה. המאפיינים של C 84 -embedded משטח Si, כגון טופוגרפיה ברזולוציה אטומית, צפיפות אלקטרונית מקומית של מדינות, פער אנרגית להקה, תכונות פליטת שדה, נוקשות nanomechanical, ומגנטיויות שטח, נבחנו באמצעות מגוון של טכניקות ניתוח שטח תחת אולטרה, ואקום גבוה (UHV) תנאים וכן מערכת אטמוספרי. תוצאות ניסויים להדגים את האחידות הגבוהה של C 84 -embedded Si משטח מפוברק באמצעות מנגנון ננוטכנולוגיה הרכבה עצמית מבוקר, מייצג התפתחות חשובה ביישום של תצוגת פליטת שדה (FED), ייצור מכשיר אופטו, MEMS כלי חיתוך, ובמאמצים כדי למצוא תחליף מתאים מוליכים למחצה קרביד. דינאמיקה מולקולארית (MD) שיטה עם פוטנציאל למחצה אמפירי יכול בדואר לשמש כדי לחקור את nanoindentation של 84 C -embedded מצע Si. תיאור מפורט לביצוע סימולציה MD מוצג כאן. פרטים על מחקר מקיף על ניתוח מכאני של סימולצית MD כגון כוח זח, מודולוס של יאנג, קשיחות משטח, לחץ אטומי, ומתח אטום כלולים. הלחץ האטומי ומתח פון-מיזס הפצות של מודל הכניסה ניתן לחשב לפקח מנגנון דפורמציה עם הערכת זמן ברמת האטומיסטית.

Introduction

מולקולות פולרן ואת החומרים מרוכבים הם מהווים הם ייחודיים בין ננו בשל המאפיינים המבניים שלהם מעולים, מוליכות אלקטרוניות, חוזק מכאני, ועל תכונות כימיות 1-4. חומרים אלה הוכיחו תועלת רבה במגוון תחומים, כגון אלקטרוניקה, מחשבים, טכנולוגיית תא דלק, תאים סולריים, וטכנולוגית פליטת שדה 5,6.

בין החומרים הללו, סיליקון קרביד (SiC) מרוכבים ננו-חלקיקים קבלו בזכות תשומת לב מיוחדת הפער בפס הרחב שלהם, מוליכות תרמית גבוהות ויציבות, יכולת פריצה החשמלית גבוהה, אדישות כימית. יתרונות אלה הם ברורים במיוחד התקנים אופטו, טרנזיסטורים אפקט שדה metal-oxide-מוליכים למחצה (MOSFET), דיודות פולטות אור (LEDs), ו-עוצמה גבוהה, בתדירות גבוהה, ויישומים בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, פגמי צפיפות גבוהים נפוצים שנצפו על פני השטח של conventiסיליקון קרביד onal יכול להיות השפעה מזיקה על המבנה האלקטרוני, אפילו מוביל לכישלון מכשיר 7,8. למרות העובדה כי הבקשה של SiC נחקרה מאז 1960, בעיה לא פתורה המסוים הזה נשאר.

מטרת המחקר הנוכחי הייתה ההמצאה של C 84 -embedded heterojunction מצע Si וניתוח שלאחר מכן להשיג הבנה מקיפה של אלקטרוניים, אופטו, מכאני, מגנטי, ועל מאפייני פליטה בתחום החומרים וכתוצאה מכך. אנחנו גם התייחסנו לסוגיית באמצעות סימולציה נומרית לחזות את המאפיינים של ננו, דרך יישום הרומן של חישובי דינאמיקה מולקולארית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: העיתון מתאר את השיטות ששימשו ביצירת מערך פולרן עצמית התאספו על פני השטח של המצע מוליכים למחצה. באופן ספציפי, אנו מציגים שיטה חדשה להכנת מצע סיליקון מוטבע פולרן לשימוש כמו פולט שדה או המצע מערכות מיקרו (MEMS), התקנים אופטו ב-טמפרטורה גבוהה, הספק גבוה, יישומים, כמו גם בהיי התקני -frequency 9-13.

ייצור 1. של משושה-סגור ארוזים (HCP) Overlayer של 84 C על Si מצעים

  1. כן הנקי Si (111) מצע
    1. נושא Si המצע ל RCA (רדיו Corporation of America) ניקוי, הכרוכות ביישום של חומר ממיס ואחריו חימום במערכת ואקום גבוהה במיוחד עבור הסרת שכבת תחמוצת וזיהומים מפני השטח של המצע (ראה חומר התומכים).
      הערה: בזאת, המונח "UHV-אולטרה מערכת ואקום גבוה" מתייחסלואקום מתחת ל -1 x 10 -8 Pa מן הסוג המשמש להכנה של Si (111).
  2. C פיקדון 84 על משטח סיליקון באמצעות אידוי תרמי בתוך מערכת UHV
    1. טרום לחמם מאייד תאי K עם אספקת מתח חיצונית באמצעות חוטי חימום עד 500 מעלות צלזיוס על מנת לקדם את outgassing של זיהומים.
    2. טען C 84 חלקיקים לתוך מיכל תאי K. Resistively לחמם את תא K ל -650 מעלות צלזיוס. לאדות C 84 חלקיקים כמו חלקיקים 84 C במיכל להלחין אדי. להתאדות C 84 חלקיקים בקווים ישרים עד חלקיקים להכות מצע Si דרך שסתום מבוקר בלחץ מתחת ל -5 x 10 -8 אבא.
  3. שבץ C 84 מולקולות בתוך שטח Si באמצעות מנגנון הרכבה עצמית
    1. המצע טרום לחשל Si (111) במערכת ואקום גבוהה במיוחד ב 900 מעלות צלזיוס להשיג מבנים (1x1). מנמיכים את הטמפרטורה ל -650 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות עבור deposition של חלקיקים 84 C על פני השטח של המצע.
    2. לחשל מצע Si ב ~ 750 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות, במהלכן האבקה-C 84 חלקיקים עצמיים להרכיב לתוך מערך פולרן אחיד מאוד על פני השטח של מצע Si (111).
      הערה: בזאת, המונח "מערך פולרן אחיד מאוד" מתייחסת ההתפלגות האחידה של פולרן על פני המצע, שבו רוב החלקיקים מכוונות בהסדר קומפקטי בניצב לפני השטח של המצע. תצורה זו סייעה להבטיח כי הגובה האנכי של מערך פולרן היה כמעט זהה בכל הדגימות.

2. מדידות של תכונות אלקטרוניות של 84 C -embedded מצע Si

  1. למדידת צפיפות אלקטרונית מקומית של הברית באמצעות מיקרוסקופ מינהור-סריקת UHV
    1. מדוד עקומות IV של אטומים ספציפיים באמצעות UHV-SPM
    2. מקום C 84
    3. לחץ על פריט מדידה "IV" כדי למדוד את הזרם מנהור לי ברזולוציה אטומית. בחר לפחות 20 מיקומים מסוימים על פני המצע Si -embedded 84 C למדידות. חשב את הערך הממוצע של זרם מנהור לי מעל 20 במיקומים מסוימים. לגזור לי כפונקציה של מתח. עקומות IV המגרש.
    4. חשב את הנגזרת של לי (V) ביחס V. המרת עקומות IV כדי di / DV כפונקציה של מתח על מנת לקבוע את המצב האלקטרוני המקומי של 84 C -embedded מצע Si.
  2. מדוד Band Gap אנרגיה
    1. להשיג עקומות IV בהתאם לנהלים ב 2.1.2 ו 2.1.3 מבין האפשרויות הבאות: משטח Si (111) -7x7, Si (111) משטח -1x1, C יחיד 84 חלקיקים על Si, 7-19 C 84אשכולות על Si, 20-50 אשכולות 84 C על Si, ואת בשכבה של 84 C מוטבע בתוך משטח Si.
    2. חשב את הנגזרת של לי (V) ביחס V. המרת עקומות IV עקום DI / DV למדוד את הבדלי אנרגית ההומו-LUMO (המכונה פער אנרגית להקה) בכל ממקום מדידה, כפי שמוצג באיור 2a.
  3. השג שדה פליטה (FE) מאפיינים
    1. מקום C 84 -embedded מצע Si על בעל מדגם FE. הכנס את מחזיק לתוך תא ניתוח FE. לפנות את החדר כדי בלחץ של כ 5 x 10 -5 אבא למדידת FE.
      הערה: מצע סיליקון -embedded 84 C שימש הקתודה לבין בדיקה נחושת עם שטח חתך של ~ 0.71 מ"מ 2 שימש האנודה. המרחק בין הקתודה לבין האנודה היה כ -590 מיקרומטר.
    2. הגדל מתח מיושם על מצע ידני מ 100 וולט עד 1,100 V. מדוד את להתכתבing הנוכחי פליטת שדה כפונקציה של מתח מיושם באמצעות יחידת מדידה מקור מתח גבוה עם מגבר הנוכחי.
    3. חשבתי את מתאם פליטת שדה פאולר-Nordheim פי פונקצית עבודה ~ 5 eV כפי שמוצג באיור 2b.
    4. השג את גורם שיפור שדה גיאומטרי (β) כדלקמן: F (שדה) = β (V / d) עם ערך β של כ 4383.
    5. השג את שדה פריצה חשמלית תחת ואקום מבוסס על המדרון של הלוגריתם הטבעי (J / E 2) vs (1 / E), אשר נתן לנו ערך של ~ 4.0 x 10 6 V / ס"מ עבור C 84 -embedded המצע Si כפי שמוצג איור 2 ג.
  4. מאפייני אופטו
    1. עבר מצע בדיקות למערכת מדידת פליטה אופטית. פוקוס מקור לייזר הוא-Cd עם 325 פליטת ננומטר על פני המצע כי ממוקם במרכז תא המדגם. הגדרת ספקטרומטר בעמדה מתאימה. השתמש SPEctrometer לרכוש ספקטרום photoluminescence ידי איסוף וניתוח פוטונים פולטים. תוצאת אופטו מוצגת איור 2.

3. מדידות של מגנטיות Surface

  1. השג MFM (מיקרוסקופית כוח מגנטי) טופוגרפיה.
    1. למגנט דגימות של C 84 -embedded Si לפני מדידות MFM ידי החלת מגנט עם עוצמת השדה של כ 2 קואי.
    2. מניח את המדגם ממוגנט על במת מדגם MFM. לחץ על "השג טופוגרפית MFM" פריט. שים מייקרו של פולרן בתחום המגנטי המוטבע בתוך מצע Si באמצעות MFM במצב להרים עם היישום של המגנטיזציה בניצב לפני השטח של המדגם.
    3. השתמש שלוחת ננו בהיקף PPP-MFMR למדידות MFM (איור 3 א). קבע את מגנטיות המשטח אם טופוגרפית MFM מופיעה (בהירה) התאורה חשוכה כאשר המומנט המגנטי של קצה נמצא סםדואר (מול) לכיוון רגע המצע.
  2. SQUID (Device הפרעת המוליכים קוונטית) מדידה
    1. כן בשכבה של C 84 -embedded מצע Si ו- C 84 אשכולות על מצע Si מוטבע 84 C.
    2. למגנט דגימות של C 84 -embedded Si ו- C 84 אשכולות על C 84 מצע Si מוטבע לפני ניסויי SQUID ידי החלת מגנט עם עוצמת שדה של כ 2 קואי.
    3. מניחים את המדגם בתוך SQUID. החל שדה מגנטי גורף במגוון של ~ 2 קואי. השג את לולאות המגנטיזציה זממו מול השדה המגנטי החיצוני במדידות SQUID בטמפרטורת חדר.
      הערה: עקומת MH אופייני חומר פרומגנטי ניתן להשיג כפי שמוצג באיור 3 ב.

4. מדידה של נכסים nanomechanical ידי AFM

הערה: מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) מספקתכלי רב עוצמה עבור אפיון של נכסים מהותיים מכני על מיקרו-קשקשים ננו באוויר כמו גם בסביבה UHV

  1. מדוד את הנוקשות של C 84 תנאים אטמוספריים Embedded Si המצע תחת
    1. מניח את המצע על במת מדגם AFM. גרור קצה חד על המצעים באמצעות סורק. צג את התקות של קצה כמדד כוחות אינטראקציה טיפ-המדגם. רשום את התנועות במרחקי טיפ-מדגם רבים לאורך בכיוון אנכי בעמדה מסוימת על ידי לחיצה על פריט "כוח מדידה".
    2. להשיג מדידות כוח באמצעות AFM בתנאים אטמוספריים מתוך מצע Si-ניקה RCA עם 2-3 שכבת ננומטר של תחמוצת טבעית, כמו גם מתוך 84 C -embedded מצע Si ו מצע Si מצופה שכבה דקה של SiC.
    3. באמצעות תוכנת AFM, עלילה עקומה למרחקי חיל בתנאים אטמוספריים.
      הערה: שלוחת AFM הייתה מבחן Si עם רדיוס קצה~ 5-20 ננומטר והאביב קבוע של ~ 40 N / m.
  2. מדוד את הנוקשות של C 84 מצע Si Embedded ב UHV קאמרית
    1. להשיג מדידות כוח על פי הנחייתו של 4.1.1 באמצעות AFM במערכת UHV מתוך מצע Si-ניקה RCA, משטח Si (111) -7x7 נקי, מצע C 84 -embedded Si, מצע מצע Si מצופה עם שכבה דקה של SiC.
    2. מגרש עקום למרחקי חיל במערכת UHV. הערה:. שלוחת AFM הייתה מבחן Si עם רדיוס קצה ~ 5-20 ננומטר והאביב קבוע של ~ 40 N / m איור 4 מציגה את ניתוח כוח למרחקים של משטח Si סדר, 7 x 7 משטח עצמי חלקי אחת שכבה התאספו של C 84 מוטבע בתוך משטח Si, ומשטח Si, כפי שנקבע באמצעות UHV-AFM.

5. מדידה של נכסים nanomechanical ידי סימולציה MD

הערה: במקטע סימולציה, 16 OVITO (visualizati קוד פתוחעל תוכנה), 17 oSSD (מסד נתונים מבנה שטח פתוח) המשמשים ליצירה ויזואליזציה המודל ותוצאות סימולציה. LAMMPS 14 (דינמיקה מולקולרית קוד פתוח (MD חבילת סימולציה)) מועסק לבצע סימולצית nanoindentation ולנתח את סימולצית תוצאות 15. כל העבודות מבוצעות הסימולציה עם מחשוב מקביל של צביר העל במקביל בקנה המידה גדולה המתקדם (Alps) של NCHC.
הערה: כדי ללמוד את heterojunction מצע C 84 monolayer / Si באמצעות סימולצית MD, אחד צריך להכין מודל סימולציה על ידי מספר אמצעים לקבלה בשכבה C 84 רגועה מוטבעת לתוך מצע Si. שים לב קשה ליצור את המבנה בדיוק מנתוני הניסוי, בגלל מורכבות המבנה היתר בין בשכבה 84 C ו- Si heterojunction המצע (111). כתוצאה מכך, אנו משתמשים באופן מלאכותי כדי ליצור מודל הסימולציה עם מספר שלבים של הליך,אשר מתואר באיור 5. הפרטים מתוארים הפרוטוקולים הבאים. בהמשך נתאר כיצד להגדיר את הפרמטר של MD ב LAMMPS, להקים monolayer פולרן רגוע C 84 מוטבע לתוך המצע, לבצע הליך הכניסה, ולנתח את תוצאות הסימולציה.

  1. הגדרת פרמטר בקובץ הקלט LAMMPS
    1. השתמש בפקודת הגבול כדי להגדיר את תנאי שפה תקופתיים ה- X ואת-Y כיוונים.
    2. השתמש "לתקן מהירות" פקודה כדי להקצות את המהירות ההתחלתית עם הפצה גאוס על כל אטום של המערכת, באופן אקראי.
    3. השתמש "לתקן pair_style" פקודה להקצות 18 Tersoff ו AIREBO 19 הפוטנציאלים לתאר את האינטראקציה סי-סי סי-C ואת האינטראקציה CC, בהתאמה.
    4. השתמש "לתקן NVT" ו "לתקן NPT" הפקודה לאמץ את שיטת האף-הובר 20 על מנת להבטיח את המערכת נשארת בטמפרטורה הרצויה ולחץ הגןלדרג אנסמבל קנוניות בידוד תרמי-isobaric 20, שבו מערכת האלגוריתם המהיר-Verlet 20 מועסק לחזות את המסלולים של האטומים. השתמש בשני "זבנג NVT" ו "לרוץ" פקודות לקבוע קצב הקירור של 3 K / psec עבור תהליך חישול.
    5. השתמש בפקודה "timestep" כדי להגדיר צעד זמן של 0.2 fsec כמו אינטגרציה זמן.
    6. השתמש "לתקן קיר / לשקף" הפקודה לאמץ קיר משתקף להגביל את מידת החופש (5.3.2).
    7. השתמש "אזור" "קבוצה" לחלק את המצע לתוך שכבות שליטה שונות (5.4.3): שכבת אטום הניוטונית, שכבת בקרה תרמית, ושכבה קבועה תחתונה, אשר ניתן להגדיר באמצעות "תיקון nve", " לתקן NVT ", ו" לתקן setforce "פקודות, בהתאמה.
    8. השתמש "אזור" "create_atoms" פקודה ליצור בדיקה כדורית.
    9. השתמש "תיקון מהלך" הפקודה להטביע את monolayer C84 לתוך המצע (5.4.2) להזיז את החללית במהלך הסימולציה (5.5.2).
    10. השתמש בפקודה "הפעלה" כדי לבצע סימולציה MD.
    11. השתמש "מחשוב כוח" (5.6.1) ו "מתח / אטום מחשוב" (5.6.4) פקוד להעריך את כוח לחץ זחה האטומי.
      הערה: בחלק הבא, מלבד הקמת המבנה, כל השלבים נעשו על ידי סקריפט LAMMPS.
  2. השתמש oSSD ו OVITO כדי הכנת הסיליקון (111) 7 x Surface 7.
    1. הפעל את תוכנת oSSD. לחץ על הכפתור "חיפוש". "קריטריוני חיפוש" לוח מוצג. בחר מצע Si, סוג יסודות, מבנה משוחזר, ELEC מוליך למחצה, סריג יהלום, 111 פנים 7 x 7 דפוס. לחץ על הכפתורים "חיפוש" ו- "מסכים". "רשימת מבנה" לוח מוצג. לחץ על המבנה הרצוי (כלומר, Si (111) 7 x 7). לחץ על כפתור "קובץ". שמור את קובץ התיאום כמו .xyz קובץ.
      הערה: אנו מציינים כי המבנייםמסד נתונים שחולצו מן oSSD אינו גדול מספיק עבור סימולצית הכניסה שלנו. כתוצאה מכך, אנו לשקם מצע גדול ועבה על ידי הפעולות הבאות.
    2. הפעל את תוכנת OVITO. טען את קובץ .xyz לתוך OVITO. השתמש בפקודה "פרוסה" כדי ללכוד את supercell של Si (111) 7 x 7 משטח עם גודל של 26.878 x 46.554 2 ב x ו- y בכיוון. לייצא את קובץ הנתונים. השתמש בפקודה "פרוסה" כדי ללכוד את supercell של התחתון Si (111) מצע עם גודל של 26.878 x 46.554 x 9.7 3. השתמש "תמונות תקופתיות צג" פקודה כדי לשכפל את supercell 12 פעמים בכיוון z. לייצא את קובץ הנתונים.
    3. מערבבים את קבצי הנתונים של Si (111) 7 x 7 השטח ואת Si (111) מודלים המצע על ידי Notepad ++ (עורך קוד מקור חינם). לבסוף, טען את הנתונים המשולבים לתוך OVITO. השתמש "תמונות תקופתיות צג" לשכפל supercell 5 x 3 x ו- Y כיוונים כדי להגדיל את גודל מצע.
    4. השתמש LAMMPS לבצע 20 psecזמן סימולציה MD עבור הרפיית מודל סימולציה. בחלק הבא, לבצע תהליך להרוות מ 1,550 K לטמפרטורת החדר במשך 500 זמן סימולציה psec. לבסוף, לבצע זמן סימולציה 10 psec עבור תהליך ההרפיה הסופי.
  3. הכנת C 84 פולרן חד שכבתי
    1. הורד את קובץ התיאום של המבנה האופטימלי של 84 פולרן C מהאינטרנט 21 ולכתוב תכנית FORTRAN לשכפל 49 C 84 פולרנים מסודרים במבנה חלת דבש.
    2. השתמש LAMMPS התקנה לשקף קירות על ומתחת בשכבת 84 C על מנת להבטיח כי המולקולות להישאר על תכנית. בצע זמן סימולצית MD עבור 200 psec להירגע מודל הסימולציה. בחלק הבא, לבצע תהליך להרוות מ 700 K לטמפרטורת החדר כדי להשיג מדינה מינימום גוש עבור זמן סימולציה 500 psec. לבסוף, לבצע זמן סימולציה 10 psec עבור תהליך רגיעה סופי.
  4. להקים את Indentaדגם tion של C 84 פולרן חד שכבתי על הסיליקון (111) 7 x Surface 7.
    1. כתוב קוד FORTRAN להניח בשכבה 84 C על Si (111) 7 x משטח 7 עם מרחק של 3 להקים מודל הכניסה.
    2. השתמש LAMMPS להטביע בשכבה 84 C לתוך המצע עם עומק של 2 ~ 3. בחלק הבא, לרוץ זמן סימולציה 40 psec לרגיעת מערכת. לבסוף, לחשל את המערכת לטמפרטורת החדר.
    3. מחלק את מצע סיליקון לתוך שכבת אטום הניוטונית עליונה, שכבת בקרה תרמית, ושכבה קבועה תחתונה, שהן 0.7, 2, ו -5.3 ננומטר עובי, בהתאמה. Monolayers 84 C עוצבו גם אטום הניוטונית.
  5. תהליך זח של MD
    1. השתמש LAMMPS ליצור בדיקה כדורית עם 5nm בקוטר על מצב משטח C 84 / Si (111) 7 x 7 (איור 5). החללית מוגדרת כגוף נוקשה. ציין במהירות קבועה של 10 m / sec על יחסי הציבורOBE לנוע כלפי מטה לכיוון הדגימה בתהליך הכניסה.
    2. הזיזו את החללית כלפי מטה כדי הדגימה במהירות קבועה עד עומק טעינה מסוים (כלומר, כולל במקרים של 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20, ו -30 Å כדי לחקור את ההשפעה של monolayer פולרנים 84 C על פני המצע Si, כאשר גודל פולרן C 84 הוא 11 א) בתהליך הטעינה. החזק את חללית המצע בתהליך ההחזקה כדי לאפשר ההרפיה של אטומים. לבסוף, לחלץ את החללית מן המצע במהירות קבועה בתהליך ההכחשה.
  6. חישוב וניתוח
    1. חשב את כוח הזחה מסיכום הכח האנכי של אטומים החלליים פי הנוסחות הבאות:
      משוואה (1)
    2. חילוץ מודולוס וקשיחות מופחתים מעקום כוח למרחקים של כניסה. בהתבסס על אוליבר Pharr & #39; s שיטה 22, קשר ליניארי ניתן לגזור בין מודול יאנג ואת הקשיחות הפריקה. הנוקשות (כלומר, המדרון של החלק הראשוני) של עקומת הפריקה מוגדרת
      משוואה (2)
      כאשר P, h, A, ו- E r הם עומס הכניסה, עקירה אלסטי של החללית, מוקרן באזור של הכניסה, מודולוס מופחת. β (= 1 עבור indenter עגול) הוא הגורם שינוי צורה. הקשר בין מודולוס מופחת מודולוס של יאנג יכול להיות כפי שנכתב
      משוואה (3)
      כאשר E ו- v הם מודולוס של יאנג מקדם פואסון עבור הדגימה ו- E i ו- v i הם מודולוס של יאנג מקדם פואסון עבור indenter.
    3. חשב את קשיות מעצם הגדרתו של H = P max / A, כאשר P מקסימום ו- A הוא כוח כניסת מקסימלית באזור מוקרן של חללית.
    4. לחשב את לחץ virial האטום 22 במטוס המטר של מצע -direction n על ידי
      משוואה (4)
      איפה אני M היא המסה של האטום i; משוואה ו משוואה הם המרכיבים של אטום מהירות i ב- M - ו n -directions, בהתאמה; V i הוא הנפח המוקצה סביב אטום i; N s הוא מספר החלקיקים בתוך האזור, שבו S מוגדר כאזור של אינטראקציה אטומית ; Φ (ij r) היא הפונקציה פוטנציאל; ij r הוא המרחק בין האטומים i ו ו משוואה הם מ - ו n -direction רכיבים של וקטור מאטום לאטום i j.
    5. השתמש OVITO להראות זן פון-מיזס של כל משתנה אטום על פי הנוסחאות הבאות:
      משוואה (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בשכבה של C 84 מולקולות על משטח Si סדר (111) היה מפוברק באמצעות תהליך ההרכבה העצמית מבוקר בתא UHV איור 1 מציג סדרה של תמונות טופוגרפיות נמדדת UHV-STM עם דרגות שונות של כיסוי:. (א) 0.01 ML, (ב) 0.2 מ"ל, (ג) 0.7 ML, ו- (ד) 0.9 ML. המאפיינים אלקטרוניים ואופטיים של המצע Si מוטבע 84 C נחקרו גם תוך שימוש במגוון של טכניקות ניתוח השטח, כגון STM ו PL (איור 2). מאפייני החומר המעולים של דגימות וכתוצאה להדגים כיצד ננוטכנולוגיה יכול לשמש עבור השליטה בחומר בבית atomic- ו-קשקשי ננו. התוצאות MFM ודיונונים באיור 3 מציגים את מגנטיות השטח של המצע מוטבע 84 C. איור 4 מציג את תוצאות UHV-AFM המתייחסים nanomechanics של המצע המוצע. תוצאות הניסוי שלנו להדגים את הפוטנציאל של C 84 (באיור 4).

במקטע סימולציה, כל ההליכים הושלמו באמצעות LAMMPS לבצע סימולציות MD. התכונות המכאניות (כוח זחה ומגע מתח) של המצע מוטבע פולרן מחושבות שמוצגות באיור 6. ניתוח זן פון-מיזס של אטומי צעד זמן שונה משמש לאפיין את העיוות המקומית. התצלומים המקבילים כפונקציה של עומק כניסה ניתן לראות המחדיר של איור 6, שחושב והופיעו מדמיין ידי OVITO. תוצאות כוח הזחה כפונקציה של עומק כניסה משמשות לחישוב H הקשיות (איור 7 א), E מודולוס המופחת <sub> r (7b איור), וטעינה נוקשות S (איור 8) של monolayer 84 C. את התוצאות ניתן להשוות עם זה נקבע על ידי ניסוי ומספקת נקודה ביתר פירוט מבט לפרש את הווריאציה של הנכס המכאני.

איור 1
איור 1: C 84 המצע Si משובץ עם כיסוי שונה סדרה של תמונות טופוגרפיות STM (40 x 40 ננומטר 2) מראה C 84 מולקולות adsorbed על Si (111) לפני השטח על הטיה במדגם שלילית של 2 V, כפי שהיא נמדדת על ידי UHV-STM. עם דרגות שונות של כיסוי: (א) 0.01 ML, (ב) 0.2 מ"ל, (ג) 0.7 ML, ו- (ד) 0.9 ML.

איור 2
איור 2: תכונות אלקטרוניות מדידות על C 84 Embedded מצע Si (א) IV עקומה מוליכות נגזרת הפרש (DI / DV) לעומת עקומת המתח של שכבה עצמית התאסף יחיד של 84 C, כפי שנקבע על ידי UHV-STM. ; (ב) פליטת שדה צפיפות זרם לעומת עקומת שדה חשמלית; (ג) מקביל FN חלקת השטח עם C מוטבע 84, כפי שהיא נמדדת באמצעות יחידת מקור-מידה; (ד) ספקטרום Photoluminescence של שכבה אחת עצמית התאספו של 84 C. Re-הדפסה באישור התייחסות 12. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: מגנטיות וציור על C 84 מצע Si Embedded (א) תמונת MFM של Si מצעים משובצים עם C 84.; (ב) לולאת המגנטיזציה זממה נגד שדה מגנטי חיצוני אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: חקירת nanomechanical על C 84 מצע Embedded Si ניתוח למרחקי חיל של משטח Si סדר, 7 x 7 שטח, שכבה עצמית התאסף יחיד של C 84 מוטבע בתוך משטח Si, ומשטח Si, כפי שנקבעו באמצעות UHV-AFM.. Re-להדפיס באישור התייחסות 11. נא ללחוץ כאןכדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: תרשים זרימה לקביעת מודל סימולציה הויתור הדרמטי להמחיש את ההגדרה סימולציה MD מתוך C שכבה אחת 84 ו Si (111) 7 x 7 השטח עד בשכבה 84 C להטביע לתוך Si (111) 7 x מודל 7.. נהלי הפרט ניתן לראות בסעיף 5 של פרוטוקול. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: כוח הזחה ומגע מתח ניתוח כוח הזחה (שחור) ו צור מתח (כחול) של 84 C כפונקציה של עומק הכניסה.. ותוספות להראות את התמונות המקבילות, שבו הצבע השונה מציין את מתח פון מיזס המתאים (ε VM) של כל האטומים. כדי לנקות להציג את לוקליזציה הזן, רק אטום עם ε VM> 0.08 מוצגים תמונת המצב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7:.. קשיות וניתוח מודולוס מופחת (א) קשיות ו- (ב) וריאציה מודולוס מופחת כפונקציה של עומק ובהזחה בשכבה 84 C על פני השטח Si אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

together.within-page = "1"> הספרה 8
איור 8: ניתוח נוקש טוען. טוען נוקשות כפונקציה של המרחק נקבע על ידי סימולציות MD לעומת שעד ניסויים AFM עבור 84 C / Si. השתנה בהפניה 16. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במחקר זה, אנו מדגימים את הייצור של monolayer עצמית התאסף של 84 C על מצע Si באמצעות תהליך חישול רומן (איור 1). תהליך זה יכול לשמש גם כדי להכין סוגים אחרים של מצעים מוליכים למחצה מוטבע ננו-חלקיקים. ה- C 84 -embedded המצע Si התאפיין ברמה האטומית באמצעות UHV-STM (איור 2), ספקטרומטר פליטה שדה, ספקטרוסקופיה צילום הארה, MFM ודיונונים (איור 3).

כוחו ההידבקות המתאים נכסי nanomechanical (כלומר, מתח) של C 84 -embedded Si מצעים ניתן למדוד באמצעות AFM (איור 4). תוצאות המחקר מראות כי הקשיות של מוצע C 84 -embedded מצע Si דומה לזו של משטחי SiC ו Si, מה שהופך אותו רלוונטי כחומר שוחקי כלי חיתוך, כמו גם סרט התקן MEMS.

jove_content "> בקטע הסימולציה, זן פון מיזס (ε VM) ניתוח הוא מסוגל לזהות את העיוות המקומית של מבנה אטום, וזה קשה מאוד כדי להיות שנצפה בניסוי. עם זאת, לא ניתן לאפיין את שינוי השלב. כאן, אנו מציעים כמה מדדים שימושיים כגון מספר תיאום HA מדד 23 כדי לבחון את שינוי השלב. ב קביעת מודל הכניסה, אנחנו צריכים להצביע כי הגודל של המצע בכיוון תכנית חייב להיות לפחות שלוש פעמים גדולות מ בקוטר של החללית עבור ניכוי השפעת גודל והגבלת המצב בגבול, דבר שישפיע על הדינמיקה ותזרים כוח אטומי.

בנוסף, בשל מגבלת הזמן של סימולצית MD, ללמוד את תהליך הכניסה, החללית צריכה להפעיל את הדגימה עם מהירות מהר מאוד בהשוואה לזו בניסוי. נציין כי מהירות טעינה כאלה היא גבוהה מדי לצאת את הזמן הרב בביתהתנהגות דיפוזיה והגירת omic, אבל זה עדיין מתאים לצפות ולתאר את מאפייני התנהגות וחומר דפורמציה הפלסטיים תחת העמסה מכאנית 24 כי התוצאות יכולות להיות מוכרת כ מעין-סטטי בטבע 25. תאוריה חלופית, דינמיקת Replica מקבילה בשם (PRD) 26, פותחה כדי להאיץ את זמן הסימולציה משמעותי, אבל זה דורש משאבי מחשוב כבדים.

הנתונים המתקבלים מן מחקר סימולצית MD עולים בקנה אחד עם הניסוי הזח AFM (איור 8); בנוסף, קשיות מודולוס מופחת של C 84 -embedded המצע Si ניתנים להשוואה Si מצעים אחרים. נתונים אלה מראים כי C 84 -embedded Si מצעים עשויים להשפיע באופן משמעותי אופטו לדלל מוליכים למחצה המגנטי nanodevices (DMS).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים אין לי מה לחשוף.

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

הנדסה גיליון 115 פולרן C Si המצע אלקטרוניקה מגנטיות השטח דינאמיקה מולקולארית מיקרוסקופיה בדיקה סריקה nanomechanics נכס מכני nanoindentation פיזיקה
גשוש C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si המצע באמצעות סריקת בדיקה מיקרוסקופית דינאמיקה מולקולארית
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