Waiting
Login processing...

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

Engineering

sondering 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

Dette papir rapporterer et array-designet C 84 -embedded Si substrat fremstillet ved hjælp en kontrolleret selvsamlende metode i et ultrahøjt vakuum kammer. Egenskaberne ved C 84 -embedded Si overflade, såsom atomar opløsning topografi, lokale elektroniske tæthed af stater, båndmellemrumenergi, felt emissionsegenskaber, nanomekaniske stivhed, og overfladen magnetisme, blev undersøgt ved anvendelse af forskellige overfladeaktive analyseteknikker under ultra, høj vakuum (UHV) forhold samt i en atmosfærisk system. Eksperimentelle resultater viser den høje ensartethed af C 84 -embedded Si overflade fremstillet ved hjælp en kontrolleret selv-samling nanoteknologi mekanisme, udgør en vigtig udvikling i anvendelsen af feltet emission display (FED), optoelektroniske enhed fabrikation, MEMS skæreværktøjer, og i bestræbelserne at finde en egnet erstatning for hårdmetal halvledere. Molekylær dynamik (MD) metode med semi-empiriske potentiale kan be anvendt til at undersøge nanoindentation af C 84 -embedded Si substrat. En detaljeret beskrivelse til udførelse MD simulering præsenteres her. Detaljer for en omfattende undersøgelse af mekanisk analyse af MD simulering såsom indrykning kraft, Youngs modul, overflade stivhed, atomare stress, og atomare belastning er inkluderet. De atomare stress og von-Mises stamme fordelinger af indrykningen model kan beregnes til at overvåge deformation mekanisme med tiden evaluering i atomistiske niveau.

Introduction

Fulleren molekyler og de kompositmaterialer, de omfatter, er karakteristisk blandt nanomaterialer på grund af deres fremragende strukturelle karakteristika, elektronisk ledningsevne, mekanisk styrke, og kemiske egenskaber 1-4. Disse materialer har vist sig yderst gavnlig i en række områder, som elektronik, computere, brændselscelleteknologi, solceller og felt emission teknologi 5,6.

Blandt disse materialer, har siliciumkarbid (SiC) nanopartikler kompositter modtaget særlig opmærksomhed takket være deres brede båndgab, høj varmeledningsevne og stabilitet, høj elektrisk sammenbrud evne, og kemisk stabilitet. Disse fordele er særlig tydelig i optisk udstyr, metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET), lysemitterende dioder (LED), og høj effekt, højfrekvente, og høj temperatur applikationer. Imidlertid høje defekter densitet almindeligvis observeret på overfladen af ​​Conventional siliciumcarbid kan have skadelige virkninger på den elektroniske struktur, selv fører til fiasko 7,8 enhed. Trods det faktum, at anvendelsen af ​​SiC er blevet undersøgt siden 1960, denne særlige uløst problem tilbage.

Formålet med denne undersøgelse var fremstillingen af en C 84 -embedded Si substrat heterojunction og efterfølgende analyse for at opnå en samlet forståelse af de elektroniske, optoelektroniske, mekaniske, magnetiske, og felt emission egenskaber af de resulterende materialer. Vi drøftede også spørgsmålet om at bruge numerisk simulering til at forudsige egenskaber nanomaterialer, gennem romanen anvendelse af molekylære dynamik beregninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Papiret skitserer de metoder, der anvendes i dannelsen af ​​en selvstændig samlet fulleren array på overfladen af ​​et halvledende substrat. Konkret præsenterer vi en ny metode til fremstilling af en fulleren-embedded silicium substrat til brug som et felt emitter eller substrat i MEMS (MEMS) og optoelektroniske anordninger i høj temperatur, høj effekt, applikationer samt i høj -Frekvens enheder 9-13.

1. Fremstilling af Hexagonal-lukket-pakket (HCP) overlag af C 84 om Si Substrat

  1. Forbered Clean Si (111) Substrat
    1. Om Si substrat til RCA (Radio Corporation of America) rengøring, der indebærer anvendelse af et opløsningsmiddel efterfulgt af opvarmning i et ultrahøjt vakuum til fjernelse af oxidlaget og urenheder fra overfladen af ​​substratet (se støttemateriale).
      BEMÆRK: her betyder udtrykket "UHV-ultra højvakuum" henviserfor et vakuum under 1 x 10 -8 Pa anvendes i fremstillingen af et Si (111).
  2. Depositum C 84 på Silicon Surface bruge Thermal Fordampning i et UHV System
    1. Forvarm en K-celle fordamper med ekstern strømforsyning gennem opvarmning filamenter til 500 ° C for at fremme udgasning af urenheder.
    2. Indlæse C 84 nanopartikler i en K-celle beholder. Resistivt opvarme K-celle til 650 ° C. Fordampe C 84 nanopartikler som C 84 nanopartikler i beholderen komponere dampe. Inddampes C 84 nanopartikler i lige linjer, indtil nanopartikler finde en Si substrat gennem en styret ventil ved tryk under 5 x 10 -8 Pa.
  3. Integrer C 84 molekyler i Si Surface via Selvsamling Mechanism
    1. Pre-annealer Si (111) substrat i et ultrahøjt vakuum-system ved 900 ° C til opnåelse (1x1) strukturer. Reducer temperaturen til 650 ° C i 30 minutter for pengition af de C 84 nanopartikler på overfladen af substratet.
    2. Anneale Si substratet ved ~ 750 ° C i 12 timer, i hvilket tidsrum det pulverformige-C 84 nanopartikler selv samle sig til en meget ensartet fulleren array på overfladen af Si (111) substrat.
      BEMÆRK: her betyder udtrykket "stærkt ensartet fulleren array" refererer til den ensartede fordeling af fulleren på substratet, hvor de fleste af nanopartiklerne er orienteret i en kompakt arrangement vinkelret på overfladen af ​​substratet. Denne konfiguration bidraget til, at den lodrette højde af fulleren arrayet var i det væsentlige identiske i alle prøver.

2. Målinger af elektroniske egenskaber af C 84 -embedded Si Substrat

  1. Mål Lokal Elektronisk Density af stater Brug UHV-scanning Tunneling Microscopy
    1. Mål IV kurver af specifikke atomer under anvendelse UHV-SPM
    2. Place C 84
    3. Klik på "IV" måling element for at måle tunneling strøm I på atomar opløsning. Vælg mindst 20 særlige steder på C 84 -embedded Si substrat for målinger. Beregn middelværdien af ​​tunneling nuværende I over 20 bestemte steder. Udlede I som en funktion af spænding. Plot IV kurver.
    4. Beregn differentialkvotienten af I (V) i forhold til V. Konverter IV kurver DI / dV som en funktion af spænding for at bestemme den lokale elektroniske tilstand af C 84 -embedded Si substrat.
  2. Mål Band Gap Energy
    1. Opnå IV kurver i henhold til procedurerne i 2.1.2 og 2.1.3 fra følgende: Si (111) -7x7 overflade, Si (111) -1x1 overflade, enkelt individ C 84 nanopartikler på Si, 7-19 C 84klynger på Si, 20-50 C 84 klynger på Si og et monolag af C 84 indlejret i Si overflade.
    2. Beregn differentialkvotienten af I (V) i forhold til V. Konverter IV kurver DI / DV kurver for at måle homo-Lumo energiforskelle (jf båndmellemrumenergi) i hver måling placering, som vist i figur 2a.
  3. Opnå Field Emission (FE) Egenskaber
    1. Placer C 84 -embedded Si substrat på en FE prøve holder. Sæt holderen ind i FE-analyse kammer. Evakuere kammeret til et tryk på ca. 5 x 10 5 Pa for FE måling.
      BEMÆRK: C 84 -embedded siliciumsubstrat fungerede som katode og en kobber-probe med et tværsnitsareal på ~ 0,71 mm 2 fungerede som anoden. Afstanden mellem katoden og anoden var ca. 590 um.
    2. Øg påtrykt spænding manuelt på substrat fra 100 V til 1100 V. Mål svarering feltemissions strømmen som funktion af påtrykt spænding ved anvendelse af en høj-spændingskilde måleenhed med nuværende forstærker.
    3. Beregn Fowler-Nordheim feltemissions korrelation ifølge arbejdsfunktionen ~ 5 eV, som vist i figur 2b.
    4. Hent den geometriske forbedring faktor (β) som følger: F (felt) = β (V / d) med en β værdi på ca. 4383.
    5. Finde et elektrisk sammenbrud felt under vakuum baseret på hældningen af den naturlige logaritme (J / E 2) vs (1 / E), som gav os en værdi på ~ 4,0 x 10 6 V / cm for C 84 -embedded Si-substrat som vist i figur 2c.
  4. optoelektroniske Properties
    1. Overfør test substrat til en optisk måling af emissioner. Fokusere en He-Cd laser kilde med 325 nm emission på substratet, der er placeret i centrum af prøverummet. Opsæt et spektrometer i en passende position. Brug en spectrometer at erhverve fotoluminescens spektrum ved at indsamle og analysere udsender fotoner. Den optoelektroniske resultat er vist i figur 2d.

3. Målinger af Surface Magnetisme

  1. Opnå MFM (Magnetic Kraft Microscopy) Topografi.
    1. Magnetisere prøver af C 84 -embedded Si før MFM målinger ved at anvende en magnet med en feltstyrke på ca. 2 kOe.
    2. Placer magnetiseret prøve på et MFM prøve etape. Klik på "Hent MFM topografi" element. Observere mikrostruktur fulleren i det magnetiske domæne indlejret i Si underlaget med MFM i elevatoren tilstand med anvendelsen af ​​magnetiseringen vinkelret på overfladen af ​​prøven.
    3. Brug en nanoskala PPP-MFMR cantilever til MFM-målinger (figur 3a). Bestem overfladen magnetisme hvis MFM topografi vises mørkere (lysere), når det magnetiske moment af spidsen er i same (modsat) retning af substratet øjeblik.
  2. SQUID (superledende Quantum Interference Device) Måling
    1. Forbered monolag af C 84 -embedded Si substrat og C 84 klynger på C 84 indlejret Si substrat.
    2. Magnetisere prøver af C 84 -embedded Si og C 84 klynger på C 84 indlejret Si substrat forud for SQUID eksperimenter ved at anvende en magnet med en feltstyrke på ca. 2 kOe.
    3. Prøven anbringes i en SQUID. Anvende en fejende magnetfelt i et område på ~ 2 kOe. Opnå magnetiseringen sløjfer afsættes mod det eksterne magnetiske felt i SQUID målinger ved stuetemperatur.
      BEMÆRK: Den typiske MH kurven for et ferromagnetisk materiale kan opnås som vist i figur 3b.

4. Måling af nanomekaniske Properties ved AFM

BEMÆRK: Atomic force mikroskopi (AFM) giver enkraftfuldt værktøj til karakterisering af materialer og mekaniske egenskaber ved mikro- og nano-skalaer i luften såvel som i et UHV miljø

  1. Mål Stivhed af C 84 Embedded Si Substrat under atmosfæriske betingelser
    1. Placer substratet på en AFM prøveholderen. Træk en skarp spids i substraterne ved hjælp af en scanner. Overvåg forskydningerne i spidsen som et mål for tip-sample interaktion kræfter. Optag bevægelser på mange tip-prøve afstande langs lodret retning i en bestemt position ved at klikke på "force måling" element.
    2. Opnå kraftmålinger bruger AFM under atmosfæriske betingelser fra et RCA-renset Si substrat med 2-3 nm lag af naturlig oxid samt fra en C 84 -embedded Si substrat og et Si substrat overtrukket med en tynd film af SiC.
    3. Ved hjælp af AFM software, plot Kraft afstande kurver under atmosfæriske forhold.
      BEMÆRK: AFM cantilever var en Si sonde med en spids radius~ 5-20 nm og fjederkonstant på ~ 40 N / m.
  2. Mål Stivhed af C 84 Embedded Si Substrat i UHV Chamber
    1. Opnå kraft målinger i henhold til vejledning af 4.1.1 ved hjælp af en AFM i et UHV-system fra et RCA-renset Si substrat, en ren Si (111) -7x7 overflade, en C 84 -embedded Si substrat, substrat og en Si substrat belagt med en tynd film af SiC.
    2. Plot Kraft afstande kurver i et UHV system. Bemærk:. AFM cantilever var en Si sonde med en spids radius af ~ 5-20 nm og fjederkonstant på ~ 40 N / m Figur 4 viser kraft afstande analyse af uorganiseret Si overflade, 7 x 7 overflade, single selv- samlet lag af C 84 indlejret i Si overflade, og Si overflade, som bestemt ved anvendelse UHV-AFM.

5. Måling af nanomekaniske Properties ved MD Simulation

BEMÆRK: I simuleringen sektionen, OVITO 16 (open source visualizatipå software) og, OSSD 17 (Open overfladestruktur database) bruges til at skabe simuleringsmodellen og resultater visualisering. LAMMPS 14 (en open-source molekylær dynamik (MD) simulation pakke) er ansat til at udføre nanoindentation simulering og analysere simuleringen resultater 15. Alle simulation jobs udføres med parallel computing i Advanced Storstilet Parallel superhob (ALPS) i NCHC.
BEMÆRK: For at studere C 84 monolag / Si substrat heterojunction ved at bruge MD simulering, bør man forberede en simuleringsmodel af flere skridt til at opnå en afslappet C 84 monolag indlejret i Si substrat. Bemærk, at det er vanskeligt at frembringe en nøjagtig samme struktur fra de eksperimentelle data, på grund af den komplekse med den indbyrdes struktur mellem C 84 monolag og Si (111) substrat heterojunction. Som et resultat, bruger vi en kunstig måde at generere simuleringsmodellen med flere trin i proceduren,som er illustreret i figur 5. Detaljerne er beskrevet i de følgende protokoller. Vi beskriver, hvordan man setup parameter MD i LAMMPS, etablere en afslappet C 84 fulleren monolag indlejret i et substrat, udføre en fordybning procedure, og analysere resultaterne af simulationen.

  1. Parameter indstilling i LAMMPS input fil
    1. Brug grænse kommando for at indstille de periodiske randbetingelser i x- og y-retningerne.
    2. Brug kommandoen "fix hastighed" for at tildele starthastigheden med en Gaussisk fordeling på hvert atom af systemet, tilfældigt.
    3. Brug kommandoen "pair_style fix" til at tildele Tersoff 18 og AIREBO 19 potentialer til at beskrive Si-Si og Si-C interaktion og CC interaktion, hhv.
    4. Brug "fix NVT" og "fix npt" kommando til at vedtage næse-Hoover-metoden 20 for at sikre systemet forbliver ved den ønskede temperatur og tryk til genbedømme en kanonisk og isoterme-isobarisk ensemble 20, i hvilket system hastigheden-Verlet algoritmen 20 er ansat til at forudsige baner atomerne. Brug både "fix NVT" og "køre" kommandoer til at indstille en kølende hastighed på 3 K / pSEC for udglødning proces.
    5. Brug kommandoen "tidsskridt" for at indstille en tid skridt på 0,2 fsec som den tid integration.
    6. Brug kommandoen "væg / reflektere fix" til at vedtage en reflekteret væg til at begrænse den grad af frihed (5.3.2).
    7. Brug "region" og "gruppe" at opdele underlaget i forskellige kontrolinstanser (5.4.3): newtonsk atom lag, et termisk kontrol lag, og en bund fast lag, som kan sættes op ved hjælp af "fix NVE", " fix NVT ", og" fix setforce "kommandoer, hhv.
    8. Brug "region" og "create_atoms" kommandoer til at oprette en sfærisk sonde.
    9. Brug kommandoen "fix bevægelse" at indlejre C84 monolag i underlaget (5.4.2), og flyt sonden under simuleringen (5.5.2).
    10. Brug kommandoen "run" for at udføre MD simulering.
    11. Brug "beregne kraft" (5.6.1) og "beregne stress / atom" (5.6.4) kommandoer til at evaluere den atomare stress og indrykning kraft.
      BEMÆRK: I det følgende undtagen strukturen fastsættelse blev alle trin udført af LAMMPS script.
  2. Brug OSSD og OVITO til Udarbejdelse af Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Tænd OSSD software. Klik på "søg" knappen. "Søgekriterier" panel præsenteres. Valgte Si substrat, elementært type, rekonstruerede struktur, halvleder elec, diamant gitter, 111 ansigt og 7 x 7 mønster. Klik på "Søg" og "Accept" knapperne. "Struktur liste" panel præsenteres. På den ønskede struktur (dvs. Si (111) 7 x 7). Klik på "File" knappen. Gem koordineringen fil som .xyz fil.
      BEMÆRK: Vi gør opmærksom på, at den strukturelledatabase ekstraheret fra OSSD ikke er stort nok til vores indrykning simulering. Som et resultat, vi genopbygge et større og tykkere substrat ved følgende trin.
    2. Tænd OVITO software. Læg .xyz fil i OVITO. Brug kommandoen "Slice" at fange en supercell af Si (111) 7 x 7 overflade med størrelse på 26,878 x 46,554 Å 2 i x- og y-retningen. Eksporter datafil. Brug kommandoen "Slice" at fange en supercell af bunden Si (111) substrat med størrelse på 26,878 x 46,554 x 9,7 Å 3. Brug "Vis periodiske billeder" kommando til at duplikere supercell 12 gange i z-retningen. Eksporter datafil.
    3. Kombiner datafilerne af Si (111) 7 x 7 overflade og Si (111) substrat modeller af Notepad ++ (en gratis kildekode editor). Endelig indlæse de kombinerede data i OVITO. Brug "Vis periodiske billeder" for at kopiere en 5 x 3 supercell i x- og y-retningerne for at forstørre størrelsen af ​​substrat.
    4. Brug LAMMPS at udføre en 20 pSECMD simulering tid til afslapning simuleringsmodellen. I det følgende, udfører en quench processen fra 1.550 K til stuetemperatur i 500 pSEC simulering tid. Endelig udfører en 10 pSEC simulering tid ved den endelige afslapning processen.
  3. Fremstilling af C 84 fulleren Monolayer
    1. Hent koordineringen fil i den Optimeret struktur i C 84 fulleren fra nettet 21 og skrive en FORTRAN program til at kopiere 49 C 84 fullerener arrangeret i en honeycomb struktur.
    2. Brug LAMMPS til opsætning afspejle vægge over og under C 84 monolag for at sikre, at molekylerne bliver på en plan. Udfør en MD-simulation tid for 200 pSEC at slappe simuleringsmodellen. I det følgende, udfører en quench processen fra 700 K til stuetemperatur til opnåelse af en glob laveste til 500 pSEC simulation tid. Endelig udfører en 10 pSEC simulation tid til endelig afslapning proces.
  4. Etabler Indentation Model C 84 fulleren monolag på Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Skriv en FORTRAN kode til at lægge C 84 monolag på Si (111) 7 x 7 overflade med afstand på 3 Å at etablere indrykningen model.
    2. Brug LAMMPS at integrere C 84 monolag ind i underlaget med dybde på 2 ~ 3 Å. I det følgende, køre en 40 pSEC simulation tid til systemets afslapning. Endelig anneale systemet til stuetemperatur.
    3. Opdel siliciumsubstratet i en øvre newtonsk atom lag, et termisk kontrol lag, og et nedre fast lag, som er 0,7, 2, og 5,3 nm i tykkelse hhv. De C 84 monolag blev også modelleret som en newtonsk atom.
  5. Indrykning Processen med MD
    1. Brug LAMMPS at skabe en sfærisk probe med 5 nm i diameter på C 84 / Si (111) 7 x 7 overflade tilstand (figur 5). Sonden er indstillet som et stift legeme. Angiv en konstant hastighed på 10 m / sek på prObe at bevæge sig nedad mod modellen i indrykningen processen.
    2. Flyt sonden nedad som vist ved en konstant hastighed, indtil den specifikke belastning dybde (dvs. herunder de tilfælde af 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20, og 30 Å for at undersøge virkningen af C 84 fullerene monolag på Si substrat, hvor størrelsen af C 84 fulleren er 11 Å) under lastningen. Hold proben i substratet i bedriften processen at give mulighed for en lempelse af atomer. Endelig udtrække sonden fra substratet med en konstant hastighed i tilbagetrækningskroppen processen.
  6. Beregning og Analyse
    1. Beregn indrykningen kraft som summen af ​​lodrette kraft af atomer i sonden efter følgende formler:
      ligning (1)
    2. Udvundet den reducerede modulus og stivhed fra kraft-afstand kurve af indrykning. Baseret på Oliver og Pharr & #39; s metode 22, en lineær relation kan udledes mellem Youngs modul og losning stivhed. Stivheden (dvs. hældningen af den initiale del) af losning kurven er defineret som
      ligning (2)
      hvor P, H, A og E r er indrykningen belastning, elastisk forskydning af sonden, projicerede areal fordybning, og reduceret modulus. β (= 1 for cirkulær indrykning) er den form modifikation faktor. Forholdet mellem reduceret modul og Youngs modul kan skrives som
      ligning (3)
      hvor E og v er Youngs modul og Poissons forhold for prøven og E I og V i er den Youngs modul og Poissons forhold til indrykning.
    3. Beregn hårdheden ved definitionen af H = p max / A, hvor P max og A er den maksimale indrykning kraft og projicerede areal sonde.
    4. Beregn virial atomare stress 22 om m substratets plan i n -retning af
      ligning (4)
      hvor m i er massen af atomet i; ligning og ligning er de hastighedskomponenter af atom i i m - og n -directions henholdsvis V i er volumenet tildelt omkring atom i; N s er antallet af partikler indeholdt i region S, hvor S er defineret som regionen atomare interaktion ; Φ (r ij) er den potentielle funktion r ij er afstanden mellem atomer i og og ligning er m - og n -retning komponenter af vektoren fra atom i til atom j.
    5. Brug OVITO at vise von-Mises stamme af hvert atom invariant efter følgende formler:
      ligning (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En monolag af C 84-molekyler på en uordnet Si (111) overflade blev fremstillet ved hjælp af en kontrolleret selvsamlende proces i et UHV kammer Figur 1 viser en serie af topografiske billeder målt ved UHV-STM med forskellige grader af dækning:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml, og (d) 0,9 ml. De elektroniske og optiske egenskaber af C 84 indlejret Si substrat blev også undersøgt ved anvendelse af forskellige overfladeaktive analyseteknikker, såsom STM og PL (figur 2). De fremragende materialeegenskaber de resulterende prøver viser, hvordan nanoteknologi kan anvendes til bekæmpelse af stof på atom- og nano-skalaer. MFM og blæksprutter resultaterne i Figur 3 De viser overfladen magnetisme af C 84 indlejret substrat. Figur 4 præsenteres de UHV-AFM resultater, der refererer til de nanomekanik af foreslåede substrat. Vores eksperimentelle resultater viser potentialet i C 84 figur 4).

I simuleringen sektion er alle procedurer gennemført ved hjælp LAMMPS at udføre MD simuleringer. De mekaniske egenskaber (indrykning kraft og kontakt stress) af fulleren indlejret substrat beregnes og vist i figur 6. The von-Mises stamme analyse af atomer på forskellige tidspunkter trin anvendes til at karakterisere den lokale deformation. De tilsvarende snapshots som funktion af indrykning dybde kan ses i inserterne af figur 6, som blev beregnet og visualiseret ved OVITO. Resultaterne af indrykning kraft som funktion af indrykningsdybden anvendes til at beregne hårdheden H (figur 7a), reduceret modul E <sub> r (figur 7b), og lastning stivhed S (figur 8) af C 84 monolag. Resultaterne kan sammenlignes med den bestemmes ved forsøg, og giver en mere detaljeret synspunkt at fortolke variation af den mekaniske egenskab.

figur 1
Figur 1: C 84 Embedded Si substrat med forskellig dækning serie af SMS topografiske billeder (40 x 40 nm 2) viser C 84 molekyler absorberet på Si (111) overflade ved en negativ prøve forspænding på 2 V, målt ved UHV-STM. med forskellige grader af dækning: (a) 0,01 ml, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml, og (d) 0,9 ml.

Figur 2
Figur 2: Elektroniske egenskaber målinger på C 84 Embedded Si substrat (a) IV kurver og differential derivat ledningsevne (dI / DV) vs spænding kurve af en enkelt selv-samlet lag af C 84, som bestemt af UHV-STM. ; (B) Felt emissionsstrømtæthed vs elektrisk felt kurven; (C) Tilsvarende FN plot af overfladen med indlejret C 84, som målt ved anvendelse af en kilde-måleenhed; (D) fotoluminescens spektrum af enkelt selv-samlet lag af C 84. Re-print med tilladelse fra henvisning 12. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Overflade magnetisme på C 84 Embedded Si substrat (a) MFM billede af Si Underlag indlejret med C 84.; (B) magnetisering loop plottet mod ydre magnetfelt Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: nanomekaniske undersøgelse på C 84 Embedded Si substrat Kraft-afstand analyse af uordnede Si overflade, 7 x 7 overflade, enkelt selv-samlet lag af C 84 indlejret i Si overflade, og Si overflade, som bestemt ved anvendelse UHV-AFM.. Re-print med tilladelse fra henvisning 11. Klik herfor at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Rutediagram for oprettelse simuleringsmodel Den dramatiske illustrerer indstillingen i MD simulering af et enkelt lag C 84 og Si (111) 7 x 7 overflade til en C 84 monolag indlejre i Si (111) 7 x 7-model.. De detalje procedurer kan ses i afsnit 5 i protokollen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: Indrykning kraft og Kontakt stress analyse Indrykning kraft (sort) og Kontakt stress (blå) C 84 som en funktion af indrykning dybde.. Indsætterviser de tilsvarende snapshots, hvor anden farve angiver den tilsvarende von Mises stamme (ε Vm) af alle atomer. For at slette vise stammen lokalisering, kun de atomer med ε Vm> 0.08 er vist i snapshot. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7:.. Hårdhed og reduceret modulus analyse (a) Hårdhed og (b) reduceret modul variation som funktion af indrykning dybde for C 84 monolag på Si overflade Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 8: Loading stivhed analyse. Lastning stivhed som funktion af afstand bestemt af MD simuleringer sammenlignet med ved AFM forsøg til C 84 / Si. Modificeret fra henvisning 16. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne undersøgelse udviser vi fremstilling af et selv-samlet monolag af C 84 på en Si-substrat gennem en hidtil ukendt annealing proces (figur 1). Denne proces kan også anvendes til fremstilling af andre former for nanopartikler-embedded halvledersubstrater. C 84 -embedded Si substrat blev karakteriseret ved atomar skala hjælp UHV-STM (figur 2), felt emission spektrometer, fotoluminans spektroskopi, MFM og blæksprutter (figur 3).

Klæbestyrken svarende til nanomekaniske egenskaber (dvs. stress) af C 84 -embedded Si substrater kan måles ved anvendelse AFM (figur 4). Vores resultater viser, at hårdheden af det foreslåede C 84 -embedded Si substrat er sammenlignelig med den for SiC og Si overflader, hvilket gør den anvendelig som et slibemateriale til skæreværktøjer samt en film i MEMS-enheder.

jove_content "> I simuleringen afsnit henviser von Mises stamme (ε VM) analyse er i stand til at detektere den lokale deformation af atomare struktur, der er meget vanskelig, der skal overholdes i eksperiment. Det er imidlertid ikke muligt at karakterisere transformation fase. Her foreslår vi nogle nyttige indeks såsom koordinering nummer og HA indeks 23 for at undersøge omdannelsen fase. i indstillingen af indrykningen model, vi nødt til at påpege, at størrelsen af substratet i planen retning skal være mindst tre gange større end diameteren af ​​sonden til eliminering af størrelsen virkning og randbetingelse begrænsning, som ville påvirke dynamikken og force flow af atomer.

Desuden, på grund af tidsfristen på MD simulation, for at studere indrykningen processen bør sonden udøve prøven med en meget hurtig hastighed sammenlignet med den i eksperimentet. Vi bemærker, at et sådant lastning hastighed er for høj til at komme ud på lang tid påmiske diffusion og migration adfærd, men det er stadig velegnet til at observere og beskrive de plastiske deformation adfærd og materialeegenskaber under mekanisk belastning 24, fordi resultaterne kan anerkendes som tilnærmelsesvis kvasistatiske i naturen 25. En alternativ teori, opkaldt Parallelle Replica dynamik (PRD) 26, er blevet udviklet til væsentligt fremskynde simulation tid, men det kræver tunge computing ressourcer.

De opnåede fra MD simulering undersøgelse af data er i overensstemmelse med AFM indrykning eksperimentet (figur 8); derudover, hårdheden og reduceret modulus af C 84 -embedded Si substrat kan sammenlignes med andre Si substrater. Disse data tyder på, at C 84 -embedded Si substrater kan have betydelige konsekvenser i optoelektroniske og fortyndes magnetiske halvleder (DMS) nanodevices.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

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

Engineering fulleren C Si substrat elektronik overflade magnetisme molekylær dynamik scanning probe mikroskopi nanomekanik mekanisk ejendom nanoindentation fysik
sondering C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Underlag Brug Scanning Probe Microscopy og Molecular Dynamics
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