Waiting
Login processing...

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

Engineering

C problama 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

Bu çalışma, bir dizi tasarlanmış Cı 84 Si substratı Gömülü bir ultra yüksek vakum odası içinde kontrollü bir kendi kendine montaj yöntemi kullanılarak imal bildirir. C 84 özellikleri, bu tür atom çözünürlüklü topoğrafya, devletlerin yerel elektronik yoğunluk, bant boşluk enerjisine, saha emisyon özelliklerinin, nanomekanik sertliği ve yüzey manyetizma olarak, Si yüzey Gömülü ultra altında yüzey analiz teknikleri kullanarak çeşitli incelendi yüksek vakum (UHV) koşullarının yanı sıra bir atmosfer sistemi. Deneysel sonuçlar C 84 yüksek tekdüzelik Si yüzey kontrollü bir öz-montaj nanoteknoloji mekanizmasını kullanarak, kesme aletleri alan emisyon ekran (FED), optoelektronik cihaz imalat, MEMS uygulanmasında önemli bir gelişmeyi temsil fabrikasyon Gömülü ve çabaları göstermek karbür yarı iletkenler için uygun bir yedek bulmak için. Yarı deneysel potansiyeli olan moleküler dinamik (MD) yöntemi olabilir bC 84 nanoindentation incelemek için kullanılan e Si substrat Gömülü. MD simülasyonunu yapmak için ayrıntılı bir açıklama sunulmuştur. Böyle girinti kuvveti, Young modülü, yüzey sertliği, atom stres ve atomik suşu olarak MD simülasyon mekanik analiz üzerine kapsamlı bir çalışma için ayrıntılar yer almaktadır. girinti modeli atom stres ve von Mises-gerinme dağılımları atomlarla düzeyde zaman değerlendirme ile deformasyon mekanizmasını izlemek için hesaplanabilir.

Introduction

Fulleren moleküller ve nedeniyle mükemmel yapısal özellikler, elektronik iletkenlik, mekanik mukavemet ve kimyasal özellikleri 1-4'e de nano arasındaki ayırt edici ihtiva kompozit malzemeler. Bu malzemeler elektronik, bilgisayar, yakıt hücresi teknolojisi, güneş pilleri ve saha emisyon teknolojisi 5,6 gibi alanlarda, bir dizi son derece yararlı olduğu kanıtlanmıştır.

Bu malzemeler arasında, silisyum karbür (SiC) nanoparçacık kompozitler, geniş bant boşluğu, yüksek ısı iletkenliği ve istikrar, yüksek elektrik arıza yeteneği, ve kimyasal eylemsizlik özellikle dikkat sayesinde aldık. Bu faydalar optoelektronik cihazlar özellikle açıktır, metal oksit yarıiletken alan etkili transistörler (MOSFET), ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve yüksek güç, yüksek frekans ve yüksek sıcaklık uygulamaları. Bununla birlikte, yüksek yoğunluklu kusurları yaygın Sözleşmenin yüzeyinde görülenÖnal silisyum karbür bile cihaz arızası 7,8 giden, elektronik yapısı üzerinde zararlı etkileri olabilir. SiC uygulaması 1960 yılından beri çalışılmıştır gerçeğine rağmen, bu özel çözümlenmemiş sorun olmaya devam etmektedir.

Bu çalışmanın amacı, bir C 84 fabrikasyon sonuçlanan malzemelerin, elektronik optoelektronik, mekanik, manyetik, ve alan emisyon özelliklerinin kapsamlı bir anlayış elde etmek için Si substrat heteroeklem ve sonraki analizlere Gömülü oldu. Biz de moleküler dinamik hesaplamaları yeni uygulaması ile, nanomateryallerin özelliklerini tahmin etmek sayısal simülasyonu kullanarak sorunu ele.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

NOT: Kağıt, bir yarı iletken alt-tabaka yüzeyi üzerinde bir kendi kendini monte fulleren dizisinin oluşturulmasında kullanılan yöntem açıklar. Özel olarak, yüksek olduğu kadar mikro elektro mekanik sistemlerin (MEMS) ve yüksek sıcaklık, yüksek güçlü optoelektronik aygıtlar, uygulamalar bir alan vericisi veya alt-tabaka olarak kullanım için fulleren gömülü silikon alt-tabakanın hazırlanması için yeni bir yöntem mevcut -Frekans cihazları 9-13.

1. Fabrikasyon altıgen kapalı ambalajlı (HCP) overlayer C 84 Si Yüzey üzerinde

  1. Temiz Si ​​(111) Maddesini hazırlayın
    1. alt-tabakanın yüzeyinden oksit tabakası ve yabancı maddelerin çıkarılması için bir ultra-yüksek vakum sistemine ve ardından ısıtılması, bir çözücü uygulanmasını kapsayan RCA tabi Si alt-tabaka temizleme (Amerika Radyo Corporation), (destek malzemesi bakınız).
      NOT: Burada dönem "UHV ultra yüksek vakum sistemi" anlamına gelir1 x 10 altında bir vakuma -8 Pa Si (111) göstermek üzere kullanılmaktadır.
  2. Bir UHV Sistemde Termal Buharlaşma kullanarak Silikon Yüzeyinde Mevduat C 84
    1. yabancı maddelerin gaz çıkışının teşvik etmek 500 ° C'ye kadar ısıtma filamentler ile harici güç kaynağına sahip bir K-hücre evaporatör önceden ısıtınız.
    2. K-hücre kabına C 84 nanopartiküller yükleyin. Dirençli 650 ° C K-hücre ısıtın. Kapta C 84 nanopartiküller buharlar oluşturmak olarak Cl 84 nanopartiküller buharlaştırmak. Nanotanecikler, 5 x 10 -8 Pa altında bir basınçta bir kontrol vanası ile Si alt tabaka çıkarana kadar Cı düz çizgiler 84 nano-tanecikleri buharlaşır.
  3. Self-montaj Mekanizması aracılığıyla Si Yüzey içinde Göm C 84 Moleküller
    1. 900 ° C 'de, bir ultra yüksek vakum sistemine önceden tavlama Si (111) substrat (1x1) yapılar elde edilmiştir. DEPOS 30 dakika boyunca 650 ° C'ye düşürülüralt-tabakanın yüzeyi üzerine Cı 84 nanopartiküllerinin yerleştirme.
    2. ~ 750 Si substratı tavlanması C toz-Cı 84 nano-tanecikleriyle bu süre içinde 12 saat, Si (111) substrat yüzeyi üzerinde bir yüksek oranda homojen olan fulleren dizi halinde kendi kendine birleşemez.
      Not: Burada, "yüksek ölçüde düzgün fulleren dizi" nanopartiküller en alt-tabakanın yüzeyine dik bir toplu düzenleme yönlendirilmiş olan alt-tabaka üzerinde fullerenin düzgün dağılımı anlamına gelir. Bu yapılandırma, fulleren dizi dikey yüksekliği tüm örneklerde esas olarak benzer olmasını sağlamak için yardımcı oldu.

C 84 Elektronik Özelliklerinin 2. Ölçümler Si Maddesini Gömülü

  1. UHV-taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak Devletlerin Yerel Elektronik Yoğunluk ölçmek
    1. UHV-SPM kullanarak belirli atomlu IV eğrisi ölçülür
    2. Yeri C 84
    3. atomik çözünürlükte tünel akımını ben ölçmek için "IV" ölçüm öğenin üzerine tıklayın. Ölçümler için C 84 Gömülü Si alt tabaka üzerinde en az 20 belirli yerleri seçin. tünel akımı Ben üzerinden 20 belirli yerlerde ortalama değerini hesaplayın. voltajın bir fonksiyonu olarak I türevi. Plot IV eğrileri.
    4. Cı 84 yerel elektronik durumunu belirlemek amacıyla voltajın bir fonksiyonu olarak dl / DV IV eğrileri dönüştürme V ile ilgili I (V) 'in bir türevini hesaplamak Si alt tabaka Gömülü.
  2. Bant Gap Enerji ölçün
    1. Aşağıdaki seçenekler arasından 2.1.2 ve 2.1.3 prosedürlere göre IV eğrileri elde: Si (111) -7x7 yüzeyi, Si (111) -1x1 yüzeyi, tek bireysel C Si 84 nanopartiküller, 7-19 C 84Si kümeleri, 20-50 C 84 Si kümeleri ve Si yüzeyi içinde gömülü C 84 bir tek tabaka.
    2. Şekil 2a'da gösterildiği gibi, her bir ölçüm konumda (bant boşluk enerjisine karşı adlandırılır) homo-LUMO enerji farkları ölçmek için dl / dU eğrileri IV eğrileri dönüştürme V ile ilgili I (V) 'in bir türevini hesaplayın.
  3. Alan Emisyon (FE) Properties elde
    1. Yeri C 84 FE numune tutucu Si substrat Gömülü. FE analiz odasına tutucu yerleştirin. FE ölçümü için yaklaşık 5 x 10 -5 Pa bir basınç odasının tahliye edin.
      Not: Cı 84 Gömülü silikon substrat katod 0.71 mm2 anot olarak görev aralığında bir enine kesit alanına sahip bir bakır prob olarak kullanılmıştır. katot ile anot arasındaki mesafe yaklaşık 590 mm idi.
    2. uyumluluğunu Tedbir 100 V V 1100 ila tabaka üzerinde elle uygulanan gerilimi artırmakMevcut amplifikatör ile bir yüksek gerilim kaynağı ölçüm birimi kullanılarak uygulanan voltajın bir fonksiyonu olarak alan emisyon akımı ing.
    3. Şekil 2b gösterildiği gibi iş fonksiyonu ~ 5 eV göre Fowler-Nordheim alan emisyon korelasyon hesaplayın.
    4. Yaklaşık 4383 bir β değeri ile F (alan) = β (V / d) aşağıdaki gibidir: geometrik alan geliştirme faktörü (β) edinin.
    5. Bize C 84 için 4.0 x 10 6 V / cm Si substrat Gömülü ~ bir değer verdi (1 / E) vs doğal logaritma eğimi (J / E 2), dayalı vakum altında elektrik arıza alanını elde etmek Şekil 2c'de de gösterildiği gibi.
  4. optoelektronik Özellikleri
    1. bir optik emisyon ölçüm sistemine test substratı aktarın. Numune bölmesinin merkezinde yer almaktadır alt tabaka üzerinde 325 nm emisyon değerleri ile bir O-Cd lazer kaynağı odaklanın. uygun bir pozisyonda bir spektrometre ayarlayın. Bir spe kullanınctrometer toplama ve yayma fotonları analiz ederek fotoluminesans spektrumunu elde etmek. Optoelektronik sonuç Şekil 2d gösterilmiştir.

Yüzey Manyetizma 3. Ölçümler

  1. MFM (Manyetik Kuvvet Mikroskobu) Topografiyi edinin.
    1. Cı 84 örnekleri MFM ölçümlerinden önce yaklaşık 2 Koe bir alan gücüne sahip bir mıknatıs uygulanarak Si Gömülü mıknatısla.
    2. Bir MFM örnek sahnede manyetize örnek yerleştirin. "MFM topografya elde" öğenin üzerine tıklayın. numunenin yüzeyine dik manyetizasyon uygulama ile kaldırma modunda MFM kullanılarak Si alt-tabaka içinde gömülü bir manyetik etki fullerenin mikro dikkate alınmalıdır.
    3. MFM ölçümleri için nano ölçekli PPP-MFMR konsol (Şekil 3a) kullanın. ucu manyetik moment sam olduğunda MFM topografya koyu (daha parlak) belirirse yüzey manyetizma belirleyinAlt tabaka anın e (ters) yönde.
  2. SQUID (Süperiletken Kuantum Girişim Cihazı) Ölçme
    1. C 84 tek tabaka C 84 gömülü Si substrat Si substrat ve C 84 kümeleri Gömülü hazırlayın.
    2. Cı 84 örnekleri mıknatıslamak gömülü Si alt-tabaka SQUID deney öncesinde yaklaşık 2 Koe bir alan gücüne sahip bir mıknatıs uygulayarak C 84 Si ve C 84 kümeleri Gömülü.
    3. Bir SQUID numuneyi yerleştirin. • 2 Koe bir aralık içinde bir süpürme manyetik alan uygulanır. Oda sıcaklığında SQUID ölçümlerinde, dış manyetik alana karşı çizilen mıknatıslanma döngüler edinin.
      Not: Şekil 3b'de gösterilen bir ferromanyetik malzeme için tipik MH eğrisi elde edilebilir.

AFM tarafından Nanomekanik Özelliklerinin 4. Ölçümü

NOT: Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) sağlayan birmikro de malzemenin ve mekanik özellikleri ve hava nano ölçekler karakterizasyonu için hem de UHV ortamında güçlü bir araçtır

  1. C 84 Gömülü Si Yüzey altında Atmosferik Koşullar sertliğini ölçmek
    1. AFM örnek sahnede alt tabakayı yerleştirin. Bir tarayıcı kullanarak yüzeyler üzerinde keskin bir ucu sürükleyin. uç-Örnek etkileşimi kuvvetlerinin bir ölçüsü olarak ucunun değiştirmeler izleyin. "Kuvveti ölçümü" öğeye tıklayarak belirli bir pozisyonda dikey yönde boyunca birçok uç-örnek mesafelerde hareketleri kaydedilir.
    2. Doğal oksit 2-3 mil tabakası ile bir RCA-temizlenmiş Si alt-tabaka yanı sıra, bir Cı 84 atmosferik koşullar altında bir AFM kullanılarak gücü ölçümleri elde edilir Si alt-tabaka ve SiC ince bir film ile kaplanmış bir Si alt tabaka Gömülü.
    3. AFM yazılımı kullanarak, atmosferik koşullar altında Kuvvet mesafe eğrileri çizilir.
      NOT: AFM konsol bir ucu yarıçaplı bir Si prob oldu~ 40 N / m 5-20 nm ve yay sabiti.
  2. UHV Odası C 84 Rijitliğinin Gömülü Si Yüzey ölçün
    1. Bir RCA temizlenmiş Si substrat, temiz bir Si (111) -7x7 yüzeyi bir UHV sisteminde bir AFM kullanılarak 4.1.1 rehberliğinde göre C 84 Gömülü Si substrat, substrat ve kaplamalı Si substrat kuvvet ölçümleri elde SiC ince bir film ile.
    2. Bir UHV sisteminde Kuvvet mesafe eğrileri çizilir. . Not: AFM konsol ve ~ 5-20 nm ve yay sabiti ~ 40 N / m ucu yarıçaplı bir Si prob oldu Şekil 4 düzensiz Si yüzeyinin kuvvet mesafe analizini sunar, 7 x 7 yüzeyi, tek kendini UHV-AFM ile belirlenen Si yüzeyi ve Si yüzeyi içinde gömülü Cı 84 monte edilmiş tabaka.

MD Simulation tarafından Nanomekanik Özelliklerinin 5. Ölçüm

NOT: simülasyon bölümünde, OVITO 16 (açık kaynak visualizatiyazılım üzerinde) ve OSSD 17 (Açık yüzey yapısı veritabanı) simülasyon modeli ve sonuçları görselleştirme oluşturmak için kullanılır. LAMMPS 14 (açık kaynak moleküler dinamik (MD) simülasyon paketi) nanoindentation simülasyon gerçekleştirmek ve simülasyon 15 sonuçlarını analiz için kullanılır. Tüm simülasyon işleri Gelişmiş Büyük ölçekli Paralel Üstkümesi'nin NCHC ait (ALPS) paralel hesaplama ile yapılmaktadır.
NOT: MD simülasyon kullanarak C 84 tek tabaka / Si substrat heteroeklem incelemek için, bir Si alt tabaka içine gömülü rahat bir C 84 tek tabaka elde etmek için birkaç adımda bir simülasyon modeli hazırlamalıdır. Çünkü Cı 84 tek ve Si (111) substrat hetero arasındaki iç yapısının kompleks, deneysel verilerden, bir tam olarak aynı yapı oluşturmanın zor olduğuna dikkat edin. Sonuç olarak, prosedür birkaç adımda simülasyon modeli oluşturmak için yapay bir şekilde kullanmak,bu, Şekil 5 'de gösterilmiştir. detayları aşağıdaki protokoller açıklanmıştır. Biz LAMMPS içinde MD parametresi, bir alt tabaka içine gömülü rahat bir C 84 fulleren tek tabaka kurmak, bir girinti yordamı gerçekleştirmek ve simülasyon sonuçlarını analiz nasıl kurulum açıklar.

  1. LAMMPS giriş Dosya Parametre Ayarı
    1. x- periyodik sınır şartları ve y-yön belirlemek için sınır komutunu kullanın.
    2. rastgele, sistemin her atomun bir Gauss dağılımı ile ilk hız atamak için "düzeltme hızı" komutunu kullanın.
    3. Sırasıyla, Si-Si ve Si-C etkileşimi ve CC etkileşimi tanımlamak için Tersoff 18 ve AIREBO 19 potansiyellerini atamak için komut "pair_style düzeltmek" kullanın.
    4. Sistem genine istenen sıcaklık ve basınçta kalmasını sağlamak için burun-Hoover yöntemi 20 benimsemeye komutu "npt düzeltmek" "düzeltme NVT" kullanın vehız-Verlet algoritması 20 atomların yörüngeleri tahmin için kullanılır hangi sistem içinde kurallı ve izotermal-izobarik ensemble 20 oran. "Düzeltme NVT" ve "Çalıştır" her ikisini de kullanmak tavlama işlemi için 3 K / Yönlendirme ve İcra Komitesinin bir soğutma hızını ayarlamak için komutlar.
    5. Zaman entegrasyonu gibi 0,2 FSEC bir zaman adımını belirlemek için "timestep" komutunu kullanın.
    6. özgürlük (5.3.2) derecesini sınırlandırmak için bir yansıyan duvar benimsemeye komutu "duvar / yansıtmak düzeltmek" kullanın.
    7. farklı kontrol katmanlara substrat (5.4.3) bölmek için "bölge" ve "grup" kullanın: Newton atom tabakası, termal kontrol katmanı ve "düzeltme NVE" kullanılarak ayarlanabilir bir alt sabit katman, " NVT düzeltmek "ve" sırasıyla setforce "komutları düzeltmek.
    8. küresel prob oluşturmak için "bölge" ve "create_atoms" komutlarını kullanın.
    9. substrat (5.4 içine C84 tek tabaka gömmek için "düzeltme hareket" komutunu kullanın.2) ve simülasyon (5.5.2) sırasında prob hareket ettirin.
    10. MD simülasyonu gerçekleştirmek için "run" komutunu kullanın.
    11. "Işlem gücü" (5.6.1) ve "işlem stres / atom" (5.6.4) kullanın atom stres ve girinti kuvvetini değerlendirmek emreder.
      NOT: Aşağıda, yapı konulmasını hariç tüm adımları LAMMPS komut dosyası tarafından yapılmıştır.
  2. Silikon (111) 7 x 7 Yüzey Düzenlenmesine OSSD ve OVITO kullanın.
    1. OSSD yazılımı açın. "Arama" butonuna tıklayın. "Arama kriterleri" paneli sunulmuştur. Si substrat, element tipi, yeniden yapı, yarı iletken elec, elmas kafes, 111 yüz ve 7 x 7 desen seçti. "Kabul Et" "Ara" ve düğmeler tıklayın. "Yapı listesi" paneli sunulmuştur. (Yani Si x 7 (111) 7) istenen yapıyı tıklayın. "Dosya" düğmesini tıklayın. .xyz dosya olarak koordinasyon dosyasını kaydedin.
      NOT: Biz yapısal işaretOSSD çıkarılan veritabanı bizim girinti simülasyonu için yeterince büyük değil. Bunun bir sonucu olarak, aşağıdaki aşamalar ile bir daha büyük ve daha kalın alt-tabakanın yeniden.
    2. OVITO yazılımı açın. OVITO içine .xyz dosyasını yükleyin. Si bir SuperCell (111) x ve y yönünde 26,878 x 46,554 Å 2 boyutu ile 7 x 7 yüzey yakalamak için "Dilim" komutunu kullanın. veri dosyası ihracat. 26,878 x 46,554 x 9.7 büyüklüğüne Å 3 alt Si (111) substrat bir SuperCell yakalamak için "Dilim" komutunu kullanın. z yönünde SuperCell 12 kez çoğaltmak için "göster periyodik görüntüleri" komutunu kullanın. veri dosyası ihracat.
    3. Si veri dosyalarını birleştirin (111) 7 x 7 yüzeyi ve Not Defteri ile Si (111) substrat modelleri ++ (ücretsiz bir kaynak kodu editörü). Son olarak, OVITO birleştirilebilir veri yüklemek. substrat boyutunu büyütmek için x ve y yönlerinde 5 x 3 SuperCell çoğaltmak için "göster periyodik görüntüleri" kullanın.
    4. 20 Yönlendirme ve İcra Komitesinin gerçekleştirmek için LAMMPS kullanmasimülasyon modeli rahatlatıcı MD simülasyon zamanı. Aşağıda, 500 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon süre boyunca oda sıcaklığına kadar 1,550 K arasında bir söndürme işlemini gerçekleştirmek. Son olarak, son dinlenme süreci için 10 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon zamanını gerçekleştirin.
  3. Cı 84 Fulleren tabakalı hazırlanması
    1. Web 21 C 84 fullerenin Optimize yapısı koordinasyon dosyasını indirin ve bir bal peteği yapısı düzenlenmiş 49 C 84 fullerenes çoğaltmak için bir FORTRAN program yazmak.
    2. Kurulum LAMMPS kullanın molekülleri bir plan üzerinde kalmasını sağlamak için üzerine ve C 84 tek tabaka altında duvarları yansıtmaktadır. 200 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon modeli dinlenmek için bir MD simülasyon zamanını gerçekleştirin. Aşağıda, 500 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon kez bir topak az durumunu elde etmek için, oda sıcaklığında, 700 K bir söndürme işlemini gerçekleştirmek. Son olarak, son dinlenme süreci için 10 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon zamanını gerçekleştirin.
  4. çentiklenmenin kurmakSilisyum C 84 Fulleren Monolayer yon Modeli (111) 7 x 7 Yüzey.
    1. Girinti modeli kurmak için 3 Å mesafe (111) 7 x 7 yüzey Si C 84 tek tabaka koymak için bir FORTRAN kod yazın.
    2. 2 ~ 3 Å derinliği ile substrata C 84 tek tabaka gömmek için LAMMPS kullanın. Aşağıda, sistem dinlenmek için 40 Yönlendirme ve İcra Komitesinin simülasyon zamanını çalıştırın. Son olarak, oda sıcaklığına kadar sistemi tavlanması.
    3. sırasıyla, 0.7, 2, ve kalınlık olarak 5.3 nm dir üstten Newton atomu katmanı, bir ısı kontrol tabakası ve bir alt sabit tabaka içine silikon substratı bölün. C 84 mono tabakaları da bir Newton atom olarak modellenmiştir.
  5. MD Girinti Süreci
    1. Cı 84 / Si (111) 7 x 7 yüzey yoluna çapı 5 nm (Şekil 5) sahip küresel prob oluşturmak için LAMMPS kullanın. Sonda bir rijit cisim olarak ayarlanır. PR 10 m / s arasında sabit bir hız belirlemegirinti sürecinde numune doğru aşağı hareket etmek OBE.
    2. Cı 84 fulleren tek tabaka etkilerini araştırmak üzere 1.5 durumlarında, 2.5, 4.5, 10, 15, 20 dahil olmak üzere, örneğin, (spesifik yükleme derinliğe kadar sabit bir hızda numune aşağı sisteminin hareket ve 30 yükleme işleminde C 84 fullerenin boyutu Si substrat, 11 Å) üzerinde. atomlu olanak vermek amacıyla tutma işleminde alt-tabaka probu tutun. Son olarak, geri çekme işlemi sabit bir hızda substrattan prob ekstrakte edin.
  6. Hesaplama ve Analiz
    1. aşağıdaki formüllere göre prob atomu dikey kuvvet toplanmasıyla girinti kuvveti hesaplanır:
      denklem (1)
    2. girinti kuvvet-mesafe eğrisi düşürüldü modülü ve sertlik ekstre edildi. Oliver ve Pharr & # dayanarak39; ın yöntemi 22, doğrusal bir ilişki Young modülü ve boşaltma sertliği arasında elde edilebilir. Sertlik (yani, ilk kısmın eğimi) boşaltma eğrisinin olarak tanımlanır
      denklem (2)
      P, H, A, ve E R girinti yükü, sondanın elastik hareket, girinti projeksiyon alanı, ve daha az modül olduğu. β (= 1 daire indenter için) şekil değiştirme faktördür. düşük modüllü ve Young modülü arasındaki ilişki aşağıdaki gibi ifade edilebilir
      denklem (3)
      E ve v Young modülü ve numune ve E i Poisson oranı ve nerede v i Young modülü ve indenter için Poisson oranı vardır.
    3. H tanım gereği sertlik hesaplayın P ma =P max ve maksimum girinti gücü ve prob öngörülen alanlarıdır x / A,.
    4. N doğrultusu içinde substratın m uçakla ilgili viral atom stres 22 hesaplayın
      denklem (4)
      burada m i atomunun i kütlesi; denklem ve denklem Hız m atomu i bileşenleri - sırasıyla n -directions; Vi atomu etrafında tayin hacmi; nS atomik etkileşim bölgesi olarak tanımlanan bölgenin S, içinde bulunan parçacıkların sayısı R ij atomu I arasındaki mesafedir; Φ (R ij) potansiyel fonksiyonudur ve denklem ve ben j atom için atomdan vektör n doğrultusu bileşenleri - m vardır.
    5. aşağıdaki formüllere göre her atom değişmez von-Mises gerginlik göstermek için OVITO kullanın:
      denklem (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

. Düzensiz Si (111) yüzeyi üzerinde Cı 84 moleküllerinin bir tek-tabakalı Şekil 1, bir UHV odasında kontrollü kendini montaj işlemi kullanılarak imal içerisinde değişik derecelerde UHV-STM tarafından ölçülen topografik görüntüleri bir dizi gösterilmektedir: (a) 0.01 mL, (b) 0.2 mL, (c) 0.7 mi, ve (d) 0.9 ml. C 84 gömülü Si substrat elektronik ve optik özellikleri aynı zamanda STM ve PL (Şekil 2) gibi yüzey analiz teknikleri, çeşitli kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen numune mükemmel malzeme özelliklerini nanoteknoloji atom ve nano-ölçekte madde kontrolü için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Şekil 3'te MFM ve SQUID sonuçları C 84 gömülü alt tabakanın yüzey manyetizma gösterir. 4 teklif substratın nanomekanik bakın UHV-AFM sonuçları sunar Şekil. Bizim deney sonuçları C 84 potansiyelini göstermek (Şekil 4'te) manyetik ve MEMS cihazlar.

Simülasyon bölümünde, tüm işlemler MD simülasyonları gerçekleştirmek için LAMMPS kullanılarak tamamlanır. Fulleren gömülü alt-tabakanın mekanik özellikleri (girinti gücü ve iletişim stresi) hesaplanır ve Şekil 6'da gösterilmiştir. Farklı zaman adımında atomlu von Mises şekil değiştirme analizi lokal deformasyon karakterize etmek için kullanılır. Kertme derinliğinin bir fonksiyonu olarak mukabil anlık hesaplanarak OVITO ile görselleştirilmiştir Şekil 6'daki uçlar görülebilir. Kertme derinliğinin bir fonksiyonu olarak girinti kuvvetinin sonucu sertliği H ile (Şekil 7), düşük modülü E hesaplanmasında kullanılır <sub> r (Şekil 7b) ve yükleme sertlik S C 84 tek tabaka (Şekil 8). Sonuçlar deneyle belirlenen bununla karşılaştırmak ve mekanik özellik değişimi yorumlamak için bir görüş daha detaylı noktası sağlar edilebilir.

Şekil 1
Şekil 1: Farklı kapsama C 84 Gömülü Si substrat STM topografik görüntüler (40 x 40 nm 2) C si üzerinde adsorbe 84 molekülleri gösteren Serisi 2 V negatif örnek önyargı da (111) yüzey, UHV-STM tarafından ölçülen. içerisinde değişik derecelerde: (a) 0.01 mi, (b) 0.2 mL, (c) 0.7 mi, ve (d) 0.9 ml.

şekil 2
Şekil 2: C 84 Elektronik özelliklerin ölçüleri Si substrat Gömülü (a) C 84 tek kendini monte katmanın gerilim eğrisinin vs IV eğrileri ve ayırıcı türevi iletkenlik (dl / dV), UHV-STM tarafından belirlenen. ; (B) elektrik alan eğrisi vs Alan emisyonu akım yoğunluğu; Bir kaynak ölçü birimi kullanılarak ölçülen, gömülü C 84 ile yüzeyin FN arsa karşılık gelen (c) Cı 84 tek kendi kendini monte tabakanın (D) Fotolüminesans spektrumu. Yeniden baskı referansı 12 izni ile. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: C 84 Yüzey manyetizma Gömülü Si alt tabaka (a) C 84 ile gömülü Si Yüzey MFM görüntüsü.; (B) Mıknatıslanma döngü dış manyetik alanına karşı çizilen bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4: UHV-AFM kullanılarak belirlenen C 84 Nanomekanik soruşturma Gömülü Si substrat düzensiz Si yüzeyinin Kuvvet mesafe analizi, 7 x 7 yüzeyi, Si yüzeyi içinde gömülü C 84 ve Si yüzeyinin tek kendini monte tabaka.. Yeniden yazdırmak referans 11 izni ile. TıklayınızBu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 5,
Şekil 5: simülasyon modeli oluşturmak için akış şeması dramatik Si (111) 7 x 7 modeli içine gömmek C 84 tek tabaka tek bir katman C 84 MD simülasyon ayarı göstermek ve Si (111) 7 x 7 yüzey.. Detay prosedürleri protokol 5. bölümünde görülebilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6: Girinti kuvvet ve İletişim gerilme analizi Girinti kuvveti (siyah) ve girinti derinliğinin bir fonksiyonu olarak C 84 stresi (mavi) başvurun.. UçlarFarklı renk tüm atomların (VM ε) İlgili von Mises gerginlik gösteren ilgili anlık göstermektedir. Gerilme lokalizasyonu, ε VM ile sadece atomları> 0.08 anlık gösterilmiştir görüntülemek temizlemek için. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Şekil 7:.. Sertlik ve düşük modül analizi (a) Sertlik ve Si yüzeyinde C 84 tek tabaka için girinti derinliğinin bir fonksiyonu olarak, (b) azaltılmış modül varyasyonu bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.


Şekil 8: Yükleme sertlik analizi. Cı 84 / Si AFM deneyleri ile karşılaştırıldığında, MD simülasyonları belirlenen mesafenin bir fonksiyonu olarak sertlik yüklenmesi. Referans 16 modifiye. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu çalışmada, (Şekil 1), yeni bir tavlama işlemi ile Si alt-tabaka üzerinde Cı 84 bir kendi kendine bir araya tek tabaka imalat göstermektedir. Bu işlem, nanopartikül gömülü iletken yüzeyler başka türlü hazırlamak için de kullanılabilir. C 84 Si substrat UHV-STM (Şekil 2), saha emisyon spektrometresi, foto-ışıldama spektroskopisi, MFM ve SQUID (Şekil 3) kullanılarak atomik ölçekte karakterize edildi Gömülü.

Cı 84 nanomekanik özellikleri (örneğin, stres) tekabül eden yapışma gücü Si alt-tabakalar AFM (Şekil 4) kullanılarak ölçülebilir Gömülü. Sonuçlarımız, önerilen C 84 sertlik Si alt-tabaka araçları ve MEMS cihazlarının bir film kesme için bir aşındırıcı malzeme olarak bu geçerli hale SiC ve Si yüzeylerin ile karşılaştırılabilir Gömülü olduğunu göstermektedir.

jove_content "> Simülasyon bölümünde, von Mises soyu (ε VM) analizi deneyinde gözlemlenen edilmesi çok zordur atomik yapı, lokal deformasyon tespit edebilir. Ancak, faz dönüşümü karakterize etmek mümkün değildir. burada, biz böyle koordinasyon sayısı ve faz dönüşümü incelemek için HA endeksi 23 olarak bazı yararlı endeksleri göstermektedir. girinti modeli ortamda, biz planı doğrultusunda substratın boyutu en az üç kat daha büyük olması gerektiğini işaret var boyut efekti ve dinamiklerini ve atomların kuvvet akışını etkileyecek sınır koşulu sınırlama, ortadan kaldırılması için prob çapından daha.

Buna ek olarak, MD simülasyon süre, için girinti sürecini incelemek nedeniyle, sonda deneyde kıyasla çok hızlı bir hız ile örnek sarf etmelidir. Biz böyle bir yükleme hızı en uzun süre çıkıp çok yüksek olduğuna dikkatSonuçlar doğada 25 yaklaşık olarak yarı-statik kabul edilebilir, çünkü omic difüzyon ve göç davranışı, ancak gözlemlemek ve mekanik yüklenme 24 altında plastik deformasyon davranışı ve malzeme özelliklerinin tanımlanması için hala uygundur. Alternatif bir teori adlı Paralel Kopya dinamiği (PRD) 26, esasen simülasyon zamanını hızlandırmak için geliştirilmiştir, ancak ağır işlem kaynakları gerektirir.

MD simülasyon Çalışmada elde edilen veriler AFM girinti deney (Şekil 8) ile uyum içindedir; Buna ek olarak, C 84 sertlik ve düşük modüllü Si alt-tabaka için diğer Si substratlara karşılaştırılabilir Gömülü. Bu veriler C 84 optoelektronik önemli etkileri olan ve manyetik yarı iletken (DMS) nanoaygıtlar sulandırmak Si yüzeyler Gömülü düşündürmektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

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

Mühendislik Sayı 115 Fulleren Cı elektronik yüzey manyetizma moleküler dinamik tarama probu mikroskobu nanomekanik mekanik özellik nanoindentation fizik
C problama<sub&gt; 84</sub&gt; Taramalı Uç Mikroskobu ve Molecular Dynamics Kullanarak Si Maddesini Gömülü
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