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Engineering

Probing 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

Cet article présente un tableau conçu C 84 -embedded substrat Si fabriqué en utilisant une méthode d' auto-assemblage contrôlé dans une chambre à vide ultra-haute. Les caractéristiques de la C 84 -embedded surface Si, comme résolution atomique topographie, densité électronique locale d'états, énergie de bande interdite, les propriétés d'émission de champ, la rigidité nanomécanique, et le magnétisme de surface, ont été examinés à l' aide d' une variété de techniques d'analyse de surface sous ultra, vide élevé (UHV), ainsi que les conditions dans un système atmosphérique. Les résultats expérimentaux démontrent la grande uniformité de la C 84 -embedded Si surface fabriqué en utilisant un mécanisme d' auto-assemblage nanotechnologie contrôlé, représente un développement important dans l'application de l' émission de champ d' affichage (FED), la fabrication de dispositifs optoélectroniques, MEMS outils de coupe, et dans les efforts pour trouver un remplacement convenable pour les semi-conducteurs en carbure. La dynamique moléculaire méthode (MD) avec un potentiel semi-empirique peut be utilisée pour étudier la nanoindentation de C 84 -embedded substrat Si. Une description détaillée pour effectuer la simulation MD est présenté ici. Détails pour une étude approfondie sur l'analyse mécanique de simulation MD comme la force d'indentation, le module de Young, la rigidité de la surface, le stress atomique, et la souche atomique sont inclus. Les contraintes et déformations von-Mises atomiques distributions du modèle d'indentation peuvent être calculées pour surveiller le mécanisme de déformation à l'évaluation du temps dans le niveau atomistique.

Introduction

Molécules de fullerènes et les matériaux composites qui les composent se distinguent parmi les nanomatériaux en raison de leurs caractéristiques structurelles excellentes, la conductivité électronique, résistance mécanique, et les propriétés chimiques 1-4. Ces matériaux se sont avérés très bénéfiques dans un éventail de domaines, tels que l' électronique, l' informatique, la technologie des piles à combustible, les cellules solaires, et la technologie d'émission de champ 5,6.

Parmi ces matériaux, le carbure de silicium (SiC) composites de nanoparticules ont reçu notamment l'attention grâce à leur large écart de bande, à haute conductivité thermique et de la stabilité, la capacité de claquage électrique élevée, et l'inertie chimique. Ces avantages sont particulièrement évidents dans les dispositifs optoélectroniques, transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), diodes électroluminescentes (DEL) et à haute puissance, haute fréquence, et des applications à haute température. Cependant, des défauts de haute densité fréquemment observés sur la surface de Conventicarbure de silicium onal peut avoir des effets néfastes sur la structure électronique, conduisant même à la défaillance du dispositif 7,8. En dépit du fait que l'application de SiC a été étudié depuis 1960, ce problème non résolu reste particulier.

Le but de cette étude était la fabrication d'un C 84 -embedded hétérojonction substrat Si et une analyse ultérieure pour obtenir une compréhension complète des propriétés d'émission électroniques, optoélectroniques, mécaniques, magnétiques, et sur le terrain des matériaux résultants. Nous avons également abordé la question de l'utilisation de la simulation numérique pour prédire les caractéristiques des nanomatériaux, à travers la nouvelle application de calculs de dynamique moléculaire.

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Protocol

REMARQUE: Le document décrit les méthodes utilisées pour la formation d'un fullerène matrice auto-assemblée sur la surface d'un substrat semi-conducteur. Plus précisément, nous présentons une nouvelle méthode pour la préparation d'un substrat de silicium fullerène intégré pour une utilisation comme émetteur de champ ou d'un substrat dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS), et des dispositifs optoélectroniques à haute température, haute puissance, les applications, ainsi que dans la haute dispositifs de -Fréquence 9-13.

1. Fabrication de Hexagonal-fermé-emballé (HCP) Overlayer de C 84 sur Si Substrat

  1. Préparer Clean Si (111) Substrat
    1. Objet substrat en Si RCA (Radio Corporation of America) le nettoyage, comportant l'application d'un solvant, suivi d'un chauffage dans un système à ultra-vide pour l'élimination de la couche d'oxyde et les impuretés de la surface du substrat (voir le matériau de support).
      NOTE: Ici, le terme «système UHV-ultra haut vide» fait référenceà un vide inférieur à 1 x 10 -8 Pa utilisé dans la préparation d'un silicium (111).
  2. Dépôt C 84 sur surface de silicium utilisant l' évaporation thermique dans un système UHV
    1. Préchauffer un évaporateur K-cellule avec une alimentation externe par le biais des filaments de chauffage à 500 ° C pour favoriser la dégazage d'impuretés.
    2. Chargez C 84 nanoparticules dans un récipient K-cellule. chaleur résistive K-cellule à 650 ° C. Vaporiser C 84 nanoparticules comme C 84 nanoparticules dans le récipient composent les vapeurs. Evaporer C 84 nanoparticules dans les lignes droites jusqu'à ce que les nanoparticules frappent un substrat Si par une vanne commandée à une pression inférieure à 5 x 10 -8 Pa.
  3. Intégrer C 84 Molecules au sein Si Surface par auto-assemblage Mécanisme
    1. Pré-recuit Si (111) servant de substrat dans un système à ultra-vide à 900 ° C pour obtenir des structures (1x1). Réduire la température à 650 ° C pendant 30 min pour les dépoC ition des 84 nanoparticules sur la surface du substrat.
    2. Recuire le substrat Si à ~ 750 ° C pendant 12 heures, temps pendant lequel la poudre C 84 nanoparticules auto-assembler en un réseau de fullerène hautement uniforme sur la surface de la (111) substrat en Si.
      REMARQUE: le présent document, le terme «réseau de fullerène hautement uniforme» se réfère à la distribution uniforme de fullerène sur le substrat, dans lequel la plupart des nanoparticules sont orientées dans un agencement compact perpendiculaire à la surface du substrat. Cette configuration a permis d'assurer que la hauteur verticale de la matrice de fullerène est essentiellement identique dans tous les échantillons.

2. Les mesures de propriétés électroniques de C 84 -embedded Si Substrat

  1. Mesurer la densité électronique locale des États utilisant UHV-microscopie à effet tunnel
    1. Mesurer les courbes IV d'atomes spécifiques en utilisant UHV-SPM
    2. Lieu C 84
    3. Cliquez sur "IV" élément de mesure pour mesurer le courant tunnel I à résolution atomique. Choisissez au moins 20 emplacements particuliers sur le C 84 substrat Si -embedded pour les mesures. Calculer la valeur moyenne du courant tunnel I plus de 20 emplacements particuliers. Calculer I en fonction de la tension. courbes Plot IV.
    4. Calculer la dérivée de I (V) par rapport à V. Convertissez les courbes IV à dI / dV en fonction de la tension afin de déterminer l'état électronique local du C 84 -embedded substrat Si.
  2. Mesurer Band Gap Energy
    1. Obtenir courbes IV selon les procédures en 2.1.2 et 2.1.3 de ce qui suit: Si (111) surface -7x7, Si (111) surface -1x1, seule C individuelle 84 nanoparticules sur Si, 7-19 C 84clusters sur Si, 20-50 C 84 grappes sur Si, et une monocouche de C 84 incorporé dans la surface Si.
    2. Calculer la dérivée de I (V) par rapport à V. Convertissez les courbes IV à dI / courbes dV pour mesurer les différences d'énergie HOMO-LUMO (appelée énergie de bande interdite) dans chaque emplacement de mesure, comme le montre la Figure 2a.
  3. Obtenir une émission de champ (FE) Propriétés
    1. Lieu C 84 -embedded substrat Si sur un porte-échantillon FE. Insérez le support dans FE chambre d'analyse. Evacuer la chambre à une pression d'environ 5 x 10 -5 Pa pour la mesure FE.
      REMARQUE: le substrat de silicium -embedded C 84 fonctionne en tant que cathode et une sonde de cuivre avec une surface en section transversale de 0,71 mm 2 ~ a fonctionné comme l'anode. La distance entre la cathode et l'anode était d'environ 590 um.
    2. Augmenter la tension appliquée manuellement sur le substrat de 100 V à 1100 V. Mesurer la correspondreing courant d'émission de champ en fonction de la tension appliquée à l'aide d'une unité de mesure de la source de haute tension à l'amplificateur de courant.
    3. Calculer le champ d' émission de corrélation Fowler-Nordheim selon la fonction de travail ~ 5 eV comme le montre la figure 2b.
    4. Obtenir le facteur géométrique d'amélioration de champ (β) comme suit: F (champ) = β (V / d) avec une valeur de β d'environ 4.383.
    5. Obtenir le champ de claquage électrique sous vide en fonction de la pente du logarithme naturel (J / E 2) vs (1 / E), qui nous a donné une valeur de ~ 4.0 x 10 6 V / cm pour le C 84 -embedded substrat Si comme représenté sur la figure 2c.
  4. Propriétés optoélectroniques
    1. Transférer le substrat d'essai à un système de mesure d'émission optique. Focaliser une source laser He-Cd à 325 nm émissions sur le substrat qui est situé au centre du compartiment d'échantillon. Mise en place d'un spectromètre dans une position appropriée. Utilisez un spectrometer pour acquérir le spectre de photoluminescence en collectant et analysant émettant des photons. Le résultat opto - électronique est représenté sur la figure 2d.

3. Mesures de Magnétisme de surface

  1. Obtenir MFM (Magnetic Force Microscopy) Topographie.
    1. Magnétiser échantillons de C 84 -embedded Si avant les mesures MFM en appliquant un aimant avec une intensité de champ d'environ 2 kOe.
    2. Placer l'échantillon magnétisé sur un étage d'échantillon MFM. Cliquez sur le point "Obtenir MFM topographie». Observer la microstructure du fullerène dans le domaine magnétique noyé dans le substrat en Si à l'aide de MFM en mode de levage avec l'application d'aimantation perpendiculaire à la surface de l'échantillon.
    3. Utilisez un nano-échelle PPP-MFMR cantilever pour les mesures MFM (Figure 3a). Déterminer le magnétisme de surface si la topographie MFM apparaît plus sombre (plus clair) lorsque le moment magnétique de la pointe est dans la same (en face) direction du moment de substrat.
  2. SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Mesure
    1. Préparer monocouche de C 84 -embedded substrat en Si et C 84 C 84 grappes sur substrat Si incorporé.
    2. Magnétiser échantillons de C 84 -embedded Si et C 84 C 84 grappes sur substrat Si incorporé avant l'expérimentation SQUID en appliquant un aimant avec une intensité de champ d'environ 2 kOe.
    3. Placer l'échantillon dans un SQUID. Appliquer un champ magnétique de balayage dans une gamme de ~ 2 kOe. Obtenir les boucles d'aimantation tracées en fonction du champ magnétique externe dans les mesures de SQUID à la température ambiante.
      REMARQUE: La courbe caractéristique MH un matériau ferromagnétique peut être obtenu comme représenté sur la figure 3b.

4. Mesure des propriétés nanomécaniques par AFM

REMARQUE: la microscopie à force atomique (AFM) permetoutil puissant pour la caractérisation des matériaux et des propriétés mécaniques à la micro- et nano-échelles dans l'air, ainsi que dans un environnement ultravide

  1. Mesurer la rigidité des C 84 incorporés Si substrat dans des conditions atmosphériques
    1. Placez le substrat sur une scène de l'échantillon de l'AFM. Faites glisser un bout pointu sur les substrats en utilisant un scanner. Surveiller les déplacements de la pointe en tant que mesure des forces d'interaction pointe-échantillon. Notez les mouvements à plusieurs distances de pointe-échantillon le long de la direction verticale dans une certaine position en cliquant sur le point "de mesure de force".
    2. Obtenir des mesures de force à l' aide d' un AFM dans des conditions atmosphériques à partir d' un substrat en Si RCA nettoyé avec 2-3 nm , la couche d'oxyde naturelle, ainsi que d'une coupe C 84 -embedded substrat de Si et d' un substrat en Si revêtu d'un film mince de SiC.
    3. En utilisant le logiciel de l'AFM, tracer des courbes force-distance dans des conditions atmosphériques.
      NOTE: Le cantilever AFM était une sonde Si avec un rayon de pointe~ 5-20 constante nm et au printemps de ~ 40 N / m.
  2. Mesurer la Raideur C 84 embarqué Si Substrat en UHV Chambre
    1. Obtenir les mesures de force en fonction de la direction de 4.1.1 à l' aide d' un AFM dans un système UHV à partir d' un substrat en Si RCA nettoyés, un Si (111) surface -7x7 propre, un C 84 -embedded Si substrat, le substrat et un substrat Si revêtu avec un film mince de SiC.
    2. Tracer les courbes force-distance dans un système UHV. Remarque:. Le cantilever AFM était une sonde Si avec un rayon de ~ 5-20 nm et constante du ressort de ~ 40 N / m pointe Figure 4 présente l'analyse des forces en distance de surface Si désordonnée, 7 x 7 surface, simple auto couche assemblée de C 84 incorporé dans la surface Si, et la surface Si, comme déterminé en utilisant UHV-AFM.

5. Mesure des propriétés nanomécaniques par simulation MD

NOTE: Dans la section de simulation, OVITO 16 (visualizati open-sourcesur le logiciel) et, DESO 17 (base de données de structure de surface ouverte) sont utilisés pour créer le modèle de simulation et de visualisation des résultats. LAMMPS 14 (un open-source dynamique moléculaire (MD) progiciel de simulation) est utilisé pour effectuer la simulation de nanoindentation et d' analyser les résultats de la simulation 15. Tous les travaux de simulation sont effectués avec le calcul parallèle dans la grande échelle avancée Superamas parallèle (ALPS) de NCHC.
NOTE: Pour étudier la monocouche C 84 / substrat en Si hétérojonction à l'aide de la simulation MD, on doit préparer un modèle de simulation par plusieurs étapes pour obtenir une monocouche détendu C 84 incorporé dans le substrat de Si. A noter qu'il est difficile de produire une structure identique à partir des données expérimentales, en raison de la complexité de la structure entre C entre 84 monocouche et Si (111) substrat hétérojonction. En conséquence, nous utilisons de façon artificielle pour générer le modèle de simulation à plusieurs étapes de la procédure,qui est illustrée sur la figure 5. Les détails sont décrits dans les protocoles suivants. Nous décrivons comment configurer le paramètre de MD en LAMMPS, établir une atmosphère détendue C 84 fullerène monocouche intégré dans un substrat, effectuer une procédure d'indentation, et d' analyser les résultats de la simulation.

  1. Réglage des paramètres en entrée Fichier LAMMPS
    1. Utilisez la commande limite pour définir les conditions aux limites périodiques dans le x et les y-directions.
    2. Utilisez la commande "vitesse fixe" pour affecter la vitesse initiale avec une distribution gaussienne sur chaque atome du système, de façon aléatoire.
    3. Utilisez "fix pair_style" commande pour attribuer Tersoff 18 et AIREBO 19 potentiels pour décrire l'interaction Si-Si et Si-C et de l'interaction de CC, respectivement.
    4. Utilisez "nvt fix" et "fixer npt" commande d'adopter la méthode Nose-Hoover 20 pour que le système reste à la température désirée et de pression pour le gèneévaluer un ensemble canonique et isotherme-isobare 20, système dans lequel l'algorithme de vitesse Verlet-20 est utilisé pour prédire les trajectoires des atomes. Utilisez les deux "nvt fix" et "run" commandes pour définir une vitesse de refroidissement de 3 K / picosecondes pour le processus de recuit.
    5. Utilisez la commande "timestep" pour définir un pas de temps de 0,2 fsec que l'intégration de temps.
    6. Utilisez «réparer le mur / refléter« commande d'adopter un mur réfléchi pour limiter le degré de liberté (5.3.2).
    7. Utiliser "région" et "groupe" pour diviser le substrat en différentes couches de commande (5.4.3): une couche d'atomes newtonien, une couche de régulation thermique et d'une couche fixe de fond, qui peut être mis en place à l'aide de "NVE fix", " fixer nvt "et" corriger "setforce commandes, respectivement.
    8. Utilisez "région" et "create_atoms" commandes pour créer une sonde sphérique.
    9. Utilisez la commande "fix move" pour intégrer la monocouche C84 dans le substrat (5.4.2) et déplacer la sonde lors de la simulation (5.5.2).
    10. Utilisez la commande "run" pour effectuer une simulation de MD.
    11. Utilisez "force de calcul" (5.6.1) et «stress compute / atome" (5.6.4) des commandes pour évaluer le stress et l'indentation force atomique.
      NOTE: Dans ce qui suit, à l'exception de la structure mise en place, toutes les étapes ont été effectuées par le script LAMMPS.
  2. Utilisez DESO et OVITO à la préparation de silicium (111) 7 x 7 Surface.
    1. Allumez le logiciel DESO. Cliquez sur le bouton "rechercher". "Critères de recherche" panel est présenté. Choisissez substrat Si, de type élémentaire, la structure reconstruite, semiconducteur elec, diamant treillis, 111 visage et 7 x 7 motif. Cliquez sur les boutons "Rechercher" et "Accepter". "Liste Structure" panel est présenté. Cliquez sur la structure désirée ( par exemple Si (111) 7 x 7). Cliquez sur le bouton "Fichier". Enregistrez le fichier de coordination en tant .xyz fichier.
      NOTE: Nous rappelons que la structurebase de données extraites du DESO est pas assez grand pour notre simulation d'indentation. En conséquence, nous reconstruisons un substrat plus grand et plus épais par les étapes suivantes.
    2. Allumez le logiciel OVITO. Chargez le fichier .xyz dans OVITO. Utilisez la commande "Slice" pour capturer une supercellule du Si (111) 7 x 7 surface avec la taille de 26,878 x 46,554 Å 2 en direction x et y. Exporter le fichier de données. Utilisez la commande "Slice" pour capturer une supercellule du fond Si (111) substrat avec la taille de 26,878 x 46,554 x 9,7 Å 3. Utilisez "Afficher les images périodiques" commande pour dupliquer le supercellule 12 fois dans la direction z. Exporter le fichier de données.
    3. Combiner les fichiers de données de Si (111) 7 x 7 surface et le Si (111) Modèles de substrat par Notepad ++ (une source libre éditeur de code). Enfin, charger les données combinées en OVITO. Utilisez "Voir les images périodiques" pour dupliquer une supercellule 5 x 3 directions x et y pour agrandir la taille du substrat.
    4. Utilisez LAMMPS pour effectuer une picosecondes 20MD temps de simulation pour se détendre le modèle de simulation. Dans la suite, effectuer un processus de trempe de 1.550 K à la température ambiante pendant 500 picosecondes temps de simulation. Enfin, effectuer un temps de simulation de 10 picosecondes pour le processus de relaxation finale.
  3. Préparation de C 84 fullerène monocouche
    1. Télécharger le dossier de coordination de la structure optimisée de C 84 fullerène à partir du Web 21 et écrire un programme FORTRAN pour répliquer 49 C 84 fullerènes disposés dans une structure en nid d'abeille.
    2. Utilisez LAMMPS pour configurer reflètent les murs sur et en dessous de la monocouche C 84 pour assurer que les molécules restent sur un plan. Effectuer un temps de simulation MD pour 200 picosecondes pour se détendre le modèle de simulation. Dans la suite, effectuer un processus de trempe de 700 K à la température ambiante pour obtenir un état minimum de glob pour 500 picosecondes temps de simulation. Enfin, effectuer un temps de simulation de 10 picosecondes pour le processus de relaxation finale.
  4. Établir le Indentation Modèle de C 84 fullerène monocouche sur silicium (111) 7 x 7 Surface.
    1. Écrire un code FORTRAN pour jeter les C 84 monocouche sur le Si (111) 7 x 7 surface avec la distance de 3 Å pour établir le modèle d'indentation.
    2. Utilisez LAMMPS pour intégrer la monocouche C 84 dans le substrat avec une profondeur de 2 ~ 3 Å. Dans ce qui suit, exécuter un temps de simulation de 40 picosecondes pour la relaxation du système. Enfin, recuire le système à la température ambiante.
    3. Diviser le substrat en silicium dans une couche supérieure newtonien d'atomes, une couche de régulation thermique et une couche inférieure fixe, qui sont 0,7, 2 et 5,3 nm d'épaisseur, respectivement. Les C 84 monocouches ont également été modélisés comme un atome newtonienne.
  5. Processus indentation de MD
    1. LAMMPS utiliser pour créer une sonde sphérique de 5 nm de diamètre sur la 84 / Si (111) 7 x 7 Mode de surface C (figure 5). La sonde est définie comme un corps rigide. Spécifiez une vitesse constante de 10 m / s sur le probe de se déplacer vers le bas vers l'échantillon dans le processus d'indentation.
    2. Déplacer la sonde vers le bas pour l'échantillon à une vitesse constante jusqu'à ce que la profondeur de chargement spécifique (c. -à , y compris les cas de 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20 et 30 Å afin d'explorer l'effet de la fullerènes monocouche C 84 sur le substrat de Si, où la taille de 84 fullerènes C est de 11 Å) dans le processus de chargement. Maintenir la sonde dans le substrat dans le processus de maintien pour permettre la relaxation des atomes. Enfin, extraire la sonde du substrat à une vitesse constante dans le processus de rétraction.
  6. Calcul et analyse
    1. Calculer la force d'indentation en additionnant la force verticale d'atomes dans la sonde selon les formules suivantes:
      Équation (1)
    2. Extrait du module réduit et une raideur de la courbe force-distance de l'indentation. Sur la base de Oliver et Pharr & #39; s procédé 22, une relation linéaire peut être dérivé entre le module de Young et la rigidité de déchargement. La rigidité ( par exemple, la pente de la partie initiale) de la courbe de décharge est définie comme
      Équation (2)
      où P, H, A, E et R sont la charge de pénétration, le déplacement élastique de la sonde, la surface projetée de l'empreinte, et un module réduit. β (= 1 pour pénétrateur circulaire) est le facteur de modification de forme. La relation entre le module réduit et le module de Young peut être écrite comme
      Équation (3)
      où E et v sont le module de Young et le coefficient de Poisson pour l'échantillon et E i et v i sont le module d'Young et le coefficient de Poisson pour le pénétrateur.
    3. Calculer la dureté par définition de H = P max / A, où P max et A sont la force d'indentation maximale et surface projetée de la sonde.
    4. Calculer la contrainte atomique du viriel 22 sur le plan m du substrat dans le n -direction par
      Équation (4)
      où m i est la masse de l' atome i; Équation et Équation sont les composantes de la vitesse de l' atome i du m - et n -Directions, respectivement; V i est le volume attribué autour de l' atome i, N s est le nombre de particules contenues dans la région S, où S est définie comme étant la région d'interaction atomique ; Φ (r ij) est la fonction potentielle; r ij est la distance entre les atomes i et et Équation sont les m - et n -Direction composantes du vecteur de l' atome à l' atome i j.
    5. Utilisez OVITO pour montrer la souche von-Mises de chaque invariant d'atome selon les formules suivantes:
      Équation (5)

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Representative Results

Une monocouche de C 84 molécules sur un Si (111) de surface désordonnée a été fabriqué en utilisant un procédé d' auto-assemblage contrôlée dans une chambre UHV La figure 1 montre une série d'images topographiques mesurées par UHV-STM avec divers degrés de couverture. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, et (d) 0,9 ml. Les propriétés électroniques et optiques du substrat en Si incorporé en C 84 ont également été étudiés en utilisant une variété de techniques d'analyse de surface, tels que les STM et PL (figure 2). Les excellentes propriétés matérielles des échantillons obtenus montrent comment la nanotechnologie peut être utilisée pour le contrôle de la matière à la nano-et en atomes échelles. Les MFM et SQUID résultats de la figure 3 montrent le magnétisme de surface de C 84 substrat intégré. La figure 4 présente les résultats UHV-AFM qui se réfèrent aux nanomécanique du substrat proposé. Nos résultats expérimentaux démontrent le potentiel du C 84 (figure 4).

Dans la section de simulation, toutes les procédures sont effectuées en utilisant LAMMPS pour effectuer les simulations de MD. Les propriétés mécaniques (force d'indentation et le stress de contact) du substrat de fullerène intégré est calculé et affiché sur la figure 6. Le von-Mises analyse de déformation d'atomes à l' étape de temps différents sont utilisés pour caractériser la déformation locale. Les clichés correspondants en fonction de la profondeur d'enfoncement peut être vu dans les inserts de la figure 6, qui ont été calculés et visualisés par OVITO. Les résultats de la force de pénétration en fonction de la profondeur d'enfoncement sont utilisées pour calculer la dureté H (figure 7a), réduit le module E <sub> r (figure 7b), et une rigidité S de chargement (figure 8) de la monocouche C 84. Les résultats peuvent être comparables à celle déterminée par l'expérience et fournit un point de détail plus de vue d'interpréter la variation de la propriété mécanique.

Figure 1
Figure 1: C 84 embarqué substrat Si avec une couverture différente série d'images topographiques STM (40 x 40 nm 2) montrant C 84 molécules adsorbées sur Si (111) à un biais d'échantillon négatif de 2 V, telle que mesurée par UHV-STM. avec divers degrés de couverture: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, et (d) 0,9 ml.

Figure 2
Figure 2: Propriétés électroniques des mesures sur C 84 Embarqués substrat Si (a) IV courbes et différentielle conductance dérivé (dI / dV) vs la courbe de tension d'une seule couche auto-assemblée de C 84, tel que déterminé par UHV-STM. ; (B) émission de champ densité de courant vs courbe de champ électrique; (C) correspondant FN parcelle de surface avec C intégré 84, tel que mesuré à l' aide d' une unité de source-mesure; (D) spectre de photoluminescence d'une seule couche auto-assemblée de C 84. Re-print avec la permission de la référence 12. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3: magnétisme de surface sur C 84 substrat Si embarqué (a) image MFM de Si Substrat embarqué avec C 84. (B) boucle de magnétisation comploté contre champ magnétique externe S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Substrat enquête nanomécanique sur C 84 Embarqué Si l' analyse Force de distance de surface Si désordonnée, 7 x 7 surface, simple couche auto-assemblée de C 84 incorporé dans la surface Si, et la surface Si, comme déterminé en utilisant UHV-AFM: Figure 4.. Re-imprimer avec la permission de la référence 11. S'il vous plaît , cliquez icipour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Organigramme pour établir le modèle de simulation Le dramatique illustrent la mise en simulation MD à partir d' une seule couche C 84 et Si (111) 7 x 7 surface à une monocouche C 84 incorporer dans Si (111) 7 x 7 modèle.. Les procédures de détail peut être vu dans la section 5 du protocole. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6: la force de l' indentation et la force de contact de stress analyse Indentation (noir) et contacter le stress (bleu) de C 84 en fonction de la profondeur de l' indentation.. Insertsmontrer les clichés correspondants, où la couleur différente indique la souche correspondante von Mises (ε vM) de tous les atomes. Pour effacer afficher la localisation de la déformation, seuls les atomes avec ε vM> 0,08 sont représentées dans l'instantané. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7:.. La dureté et l' analyse de module réduit (a) La dureté et (b) une variation réduite de module en fonction de la profondeur d'indentation pour le C 84 monocouche sur la surface Si S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 8: Chargement analyse de rigidité. Le chargement de la raideur en fonction de la distance déterminée par des simulations MD par rapport à celle des expériences par AFM pour C 84 / Si. Modifié à partir de la référence 16. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Dans cette étude, nous démontrons la fabrication d'une monocouche auto-assemblée de C 84 sur un substrat de Si à travers un nouveau procédé de recuit (figure 1). Ce procédé peut également être utilisé pour préparer d'autres types de substrats semi-conducteurs nanoparticules enrobées. Le C 84 -embedded substrat Si a été caractérisé à l'échelle atomique utilisant UHV-STM (Figure 2), spectromètre à émission de champ, la spectroscopie photo-luminescence, MFM et SQUID (Figure 3).

La force d'adhérence correspondant aux propriétés nanomécaniques (c. -à- stress) de la C 84 -embedded des substrats de Si peuvent être mesurés en utilisant l' AFM (Figure 4). Nos résultats démontrent que la dureté de la proposition C 84 -embedded substrat en Si est comparable à celle des surfaces de SiC et Si, ce qui rend applicable en tant que matériau abrasif pour des outils, ainsi que d' un film en dispositifs MEMS de coupe.

jove_content "> Dans la section de simulation, la souche de von Mises (ε Vm) d' analyse est capable de détecter la déformation locale de la structure atomique, ce qui est très difficile à respecter dans l' expérience. Toutefois, il est impossible de caractériser la transformation de phase. ici, nous vous suggérons quelques indices utiles tels que le numéro de la coordination et de l' indice HA 23 pour examiner la transformation de phase. dans le cadre du modèle d'indentation, nous devons souligner que la taille du substrat dans la direction du plan doit être au moins trois fois plus grande que le diamètre de la sonde pour éliminer l'effet de taille et la limitation des conditions aux limites, ce qui aurait une incidence sur la dynamique et le flux d'atomes de force.

En outre, en raison de la limite de temps de simulation MD, pour étudier le processus d'indentation, la sonde doit exercer l'échantillon avec une vitesse très rapide par rapport à celle de l'expérience. Nous notons que cette vitesse de chargement est trop élevé pour sortir le temps longtemps àle comportement de diffusion et la migration nomique, mais il est encore approprié pour observer et décrire les propriétés de comportement de déformation et de matière plastique sous une charge mécanique 24 parce que les résultats peuvent être reconnus comme environ quasi-statique dans la nature 25. Une autre théorie, nommée la dynamique de réplication parallèle (PRD) 26, a été développé pour accélérer considérablement le temps de simulation, mais il nécessite des ressources informatiques lourds.

Les données obtenues à partir de l'étude de simulation MD est en accord avec l'expérience AFM d'indentation (figure 8); En outre, la dureté et le module réduit de l' extrémité C 84 -embedded substrat en Si sont comparables à d' autres substrats de silicium. Ces données suggèrent que C 84 -embedded substrats de Si peuvent avoir des impacts significatifs en optoélectronique et diluer semi - conducteurs magnétiques (DMS) nanodispositifs.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

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

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References

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Ingénierie numéro 115 fullerène C Si substrat l'électronique le magnétisme de surface la dynamique moléculaire la numérisation microscopie à sonde nanomécanique propriété mécanique nanoindentation physique
Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Substrat Utiliser Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics
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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).

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