Waiting
Login processing...

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

Engineering

Verifiserer 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 papiret rapporterer en rekke utformet C 84 -embedded Si substrat fabrikkert ved hjelp av en kontrollert selvbygging metode i en ultrahøy vakuumkammeret. Egenskapene til C 84 -embedded Si overflate, for eksempel atom oppløsning topografi, lokale elektroniske tilstandstetthet, band gap energi, feltemisjonsegenskaper, nanomechanical stivhet, og overflaten magnetisme, ble undersøkt ved hjelp av en rekke overflateanalyseteknikker i henhold ultra, høyt vakuum (UHV) forhold samt i en atmosfærisk system. Eksperimentelle resultater viser den høye jevnhet C 84 -embedded Si overflate fremstille ved hjelp av en kontrollert selv-sammenstillingen nanoteknologi mekanisme, representerer en viktig utvikling i anvendelsen av feltavgivende skjerm (FED), optoelektroniske enhet fabrikasjon, MEMS skjærende verktøy, og i arbeidet å finne en passende erstatning for karbid halvledere. Molekylær dynamikk (MD) metode med semi-empiriske potensiale kan be brukt for å studere den nanoindentation av C-84 -embedded Si-substrat. En detaljert beskrivelse for å utføre MD simulering er presentert her. Detaljer for en omfattende studie på mekanisk analyse av MD simulering som innrykk kraft, Youngs modul, overflate stivhet, atom stress, og atom belastning er inkludert. Atom stress og von-Mises belastningsskader distribusjoner av innrykk modellen kan beregnes til å overvåke deformasjon mekanisme med tiden evaluering i atomistisk nivå.

Introduction

Fulle molekyler og komposittmaterialer de utgjør er karakteristiske blant nanomaterialer på grunn av sine gode strukturelle egenskaper, elektronisk ledningsevne, mekanisk styrke, og kjemiske egenskaper 1-4. Disse materialene har vist seg svært nyttig i en rekke felt, for eksempel elektronikk, datamaskiner, brenselcelleteknologi, solceller, og feltutslippsteknologi 5,6.

Blant disse materialene, har silisiumkarbid (SiC) nanopartikkel kompositter fått spesiell oppmerksomhet takket være sitt brede band gap, høy varmeledningsevne og stabilitet, høy elektrisk sammenbrudd evne, og kjemisk treghet. Disse fordelene er spesielt tydelig i optiske enheter, metall-oksid-halvleder felteffekttransistorer (MOSFET), lysdioder (LED), og høy effekt, høy frekvens, og høye temperaturer. Imidlertid mangler med høy tetthet som vanligvis observeres på overflaten av Conventional silisiumkarbid kan ha skadelige effekter på den elektroniske struktur, selv fører til enheten svikt 7,8. Til tross for det faktum at anvendelsen av SiC har blitt studert siden 1960, og dette spesielle uløst problem gjenstår.

Målet med denne studien var fabrikasjon av en C 84 -embedded Si substrat hetero og påfølgende analyse for å få en helhetlig forståelse av de elektroniske, optiske, mekaniske, magnetiske, og feltemisjonsegenskaper av de resulterende materialer. Vi tok også opp spørsmålet om bruk av numerisk simulering for å forutsi egenskapene til nanomaterialer, gjennom romanen anvendelse av molekylære dynamikk beregninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Papiret gir en oversikt over metoder som benyttes i dannelsen av en selv-sammenstilt Fulle matrise på overflaten av et halvledende substrat. Spesielt presenterer vi en ny metode for utarbeidelse av en Fulle-embedded silisium substrat for bruk som et felt emitter eller substrat i mikroelektromekaniske systemer (MEMS), og optiske enheter i høy temperatur, høy effekt, programmer, så vel som i høy -frequency enheter 9-13.

1. Fabrikasjon av sekskantede-lukket-pakket (HCP) overlag av C 84 på Si substrat

  1. Forbered Clean Si (111) Substrat
    1. Gjenstand Si-substrat til RCA (Radio Corporation of America) rensing, som involverer anvendelse av et løsningsmiddel, etterfulgt av oppvarming i en ultrahøy vakuumsystem for fjerning av oksydlag og urenheter fra overflaten av substratet (se støttemateriale).
      MERK: Heri betyr uttrykket "UHV-ultrahøyt vakuum system" refererertil et vakuum under 1 x 10 -8 Pa anvendt ved fremstilling av et Si (111).
  2. Innskudd C 84 på Silicon overflaten ved hjelp av termisk fordampning i en UHV System
    1. Forvarmer en K-celle fordamper med ekstern strømtilførsel gjennom varmetråder til 500 ° C for å fremme utgassing av forurensninger.
    2. Laster C 84 nanopartikler inn i en K-celle-beholder. Resistivt varme K-celle til 650 ° C. Fordampe C 84 nanopartikler som C 84 nanopartikler i beholderen komponere damper. Fordampe C 84 nanopartikler i rette linjer til nanopartikler finne en Si-substrat gjennom en styrt ventil på trykk under 5 x 10 -8 Pa.
  3. Embed C 84 Molekyler innenfor Si Surface via Self-montering Mechanism
    1. Pre-anneal Si (111) substrat i et ultrahøyt vakuum-system ved 900 ° C for å oppnå (1x1) strukturer. Redusere temperaturen til 650 ° C i 30 minutter for deposition av de C-84 nanopartikler på overflaten av substratet.
    2. Anneal Si underlaget på ~ 750 ° C i 12 timer, i løpet av hvilken tid pulverisert-C 84 nanopartikler selv montere inn en meget jevn Fulle matrise på overflaten av Si (111) substrat.
      MERK: Heri betyr uttrykket "meget jevn Fulle array" refererer til jevn fordeling av Fulle på substratet, hvor de fleste av nanopartiklene er orientert i en kompakt anordning vinkelrett på overflaten av substratet. Denne konfigurasjonen bidratt til å sikre at den vertikale høyde av Fulle matrisen var i det vesentlige identisk i alle prøver.

2. Målinger av elektroniske egenskaper av C 84 -embedded Si Substrat

  1. Mål Lokal Elektronisk tilstandstetthet Bruke UHV-scanning tunneling mikroskop
    1. Mål IV kurver av bestemte atomer ved hjelp UHV-SPM
    2. Place C 84
    3. Klikk på "IV" måling element for å måle tunneling gjeldende jeg på atom oppløsning. Velge minst 20 bestemte steder på C-84 -embedded Si-substrat for målinger. Beregn middelverdien av tunnelstrøm I over 20 spesielle steder. Utlede I som en funksjon av spenning. Plot IV kurver.
    4. Beregne den deriverte av I (V) i forhold til V. konvertere IV-kurvene til dI / dV som en funksjon av spenning for å bestemme den lokale elektroniske tilstand av C-84 -embedded Si-substrat.
  2. Mål Band Gap Energy
    1. Skaff IV kurver i henhold til prosedyrene i 2.1.2 og 2.1.3 fra følgende: Si (111) -7x7 overflate, Si (111) -1x1 overflate, enkelt individ C 84 nanopartikler på Si, 7-19 C 84klynger på Si, 20-50 C 84 klynger på Si, og en monolayer av C 84 integrert i Si overflate.
    2. Beregne den deriverte av I (V) i forhold til V. konvertere IV kurvene i Di / DV kurver for å måle HOMO-LUMO energiforskjellene (referert til bandet gapet energi) på hvert målested, som vist på figur 2a.
  3. Skaff Feltet Utslipps (FE) Eiendommer
    1. Place C 84 -embedded Si underlaget på en FE prøveholderen. Sett holderen i FE analyse kammer. Evakuere kammeret til et trykk på ca. 5 x 10 -5 Pa for FE måling.
      MERK: C 84 -embedded silisiumsubstrat fungerte som katoden og en kobber sonde med et tverrsnittsareal på ~ 0,71 mm 2 fungerte som anode. Avstanden mellom anoden og katoden var ca. 590 um.
    2. Øk påtrykt spenning manuelt på underlaget fra 100 V til 1100 V. Mål tilsvarering feltavgivende strøm som en funksjon av påtrykt spenning ved hjelp av en høy-spenningskilde-måleenheten med strømforsterker.
    3. Beregn Fowler-Nordheim feltavgikorrelasjon i henhold til den arbeidsfunksjon ~ 5 eV som vist i figur 2b.
    4. Oppnå den geometriske feltøkning faktor (β) som følger: F (felt) = β (V / d) med en β verdi på ca 4383.
    5. Oppnå den elektrisk sammenbrudd felt under vakuum basert på skråningen av den naturlige logaritmen (J / E 2) vs (1 / E), noe som ga oss en verdi av 4,0 ~ 6 x 10 V / cm til 84 C -embedded Si-substrat som vist i figur 2c.
  4. optoelektroniske Properties
    1. Overfør testing substrat til en optisk emisjonsmålesystem. Fokusere en He-Cd laserkilde med 325 nm utslipp på substratet som er plassert i sentrum av prøverommet. Sette opp et spektrometer i en passende stilling. Bruk en spectrometer å erverve photoluminescence spekteret ved å samle og analysere emitting fotoner. Den optoelektroniske Resultatet er vist i figur 2d.

3. Målinger av Surface Magnetism

  1. Skaff MFM (Magnetic Force Microscopy) Topografi.
    1. Magnetisere prøver av C-84 -embedded Si før MFM målinger ved å anvende en magnet med en feltstyrke på omtrent 2 Koe.
    2. Plasser magnetisert prøven på en MFM prøvestadiet. Klikk på "Skaff MFM topografi" element. Legg merke til mikrostrukturen til Fullerene i den magnetiske domene innebygd i Si-substratet ved hjelp av MFM i løftemodusen med anvendelsen av magnetiseringen loddrett på overflaten av prøven.
    3. Bruk en nano skala PPP-MFMR cantilever for MFM målingene (figur 3a). Bestem overflaten magnetisme hvis MFM topografi mørkere (lysere) når den magnetiske øyeblikk av spissen er i same (motsatt) retning av substratet øyeblikk.
  2. SQUID (Superledende Quantum Interference Device) Måling
    1. Forbered monolag av C 84 -embedded Si underlaget og C 84 klynger på C 84 innebygde Si substrat.
    2. Magnetisere prøver av C-84 -embedded Si og C-84 klynger på C-84 innleiret Si-substrat før blekksprut eksperimenter ved å bruke en magnet med en feltstyrke på omtrent 2 Koe.
    3. Plasser prøven i en blekksprut. Anvende en feiende magnetisk felt i et område på ~ 2 Koe. Oppnå magnetiseringskurvene løkkene plottet mot den ytre magnetfelt i SQUID-målinger ved værelsestemperatur.
      MERK: MH typisk kurve for et ferromagnetisk material kan oppnås som vist i figur 3b.

4. Måling av Nanomechanical egenskaper ved AFM

MERK: Atomic force mikroskopi (AFM) gir enkraftig verktøy for karakterisering av materialer og mekaniske egenskaper på mikro- og nanoskala luften så vel som i en UHV miljø

  1. Mål Stivhet i C 84 Embedded Si metallet under atmosfæriske forhold
    1. Plassere substratet på en AFM prøvetrinn. Dra en skarp spiss i løpet av de underlag ved hjelp av en skanner. Overvåke forskyvninger av spissen som et mål på tip-prøven interaksjon styrker. Spill bevegelser på mange tips-sample avstander langs vertikal retning i en viss posisjon ved å klikke på "force måling" element.
    2. Oppnå styrkemålinger ved anvendelse av en AFM under atmosfæriske betingelser fra en RCA-renset Si-substrat med 2-3 nm sjikt av naturlig oksyd, så vel som fra en C-84 -embedded Si-substrat og et Si-substrat belagt med en tynn film av SiC.
    3. Ved hjelp av AFM programvare, plotte Force fjern kurvene under atmosfæriske forhold.
      MERK: AFM cantilever var et Si sonde med en spiss radius på~ 5-20 nm og våren konstant på ~ 40 N / m.
  2. Mål Stivhet i C 84 Embedded Si substrat i UHV Chamber
    1. Skaff kraftmålinger i henhold til veiledning av 4.1.1 bruker en AFM i en UHV system fra en RCA-renset Si substrat, en ren Si (111) -7x7 overflate, en C 84 -embedded Si substrat, substrat og et Si substrat belagt med en tynn film av SiC.
    2. Plot Force fjern kurver i et UHV system. Merk:. Den AFM cantilever var et Si sonde med en spiss radius på ~ 5-20 nm og våren konstant på ~ 40 N / m Figur 4 viser kraften avstand analyse av uordnede Si overflaten, 7 x 7 overflate, enkelt selv- sammensatte lag av C-84 integrert i Si overflate, og Si overflate, som bestemt ved anvendelse av UHV-AFM.

5. Måling av Nanomechanical Egenskaper ved MD Simulering

Merk: I simuleringen delen, OVITO 16 (open-source visualizatipå programvare), og OSSD 17 (Open overflatestruktur database) er brukt til å opprette simuleringsmodell og resultater visualisering. LAMMPS 14 (en åpen kildekode-molekyldynamikk (MD) simuleringspakke) er ansatt for å utføre nanoindentation simulering og analysere simuleringsresultatene 15. Alle simulerings jobbene utføres med parallell databehandling i Avansert Storskala Parallel superhop (Alpene) av NCHC.
MERK: For å studere C 84 mono / Si-substrat hetero ved hjelp MD simulering, bør man forberede en simuleringsmodell av flere tiltak for å få en avslappet C 84 monoinnebygd i Si underlaget. Legg merke til at det er vanskelig å generere en nøyaktig den samme struktur fra de eksperimentelle data, på grunn av komplekset av det interstrukturen mellom C-84 monolaget og Si (111) substrat heterojunction. Som et resultat, bruker vi en kunstig måte å generere simuleringsmodell med flere trinn av fremgangsmåten,som er vist på figur 5. Detaljene er beskrevet i de følgende protokoller. Vi beskriver hvordan du setter opp parameter av MD i LAMMPS, etablere et avslappet C 84 Fulle enkeltlag innebygd i et substrat, utføre et innrykk prosedyre, og analysere simuleringsresultatene.

  1. Parameterinnstilling i LAMMPS innspill File
    1. Bruk grensen kommando for å sette de periodiske grensebetingelser i x- og y-retningene.
    2. Bruk "fix hastighet" -kommandoen for å tildele den innledende hastighet med en Gaussisk fordeling på hvert atom av systemet, i tilfeldig rekkefølge.
    3. Bruk "fikse pair_style" -kommandoen til å tildele Tersoff 18 og AIREBO 19 potensialer for å beskrive Si-Si og Si-C samhandling og CC samhandling, henholdsvis.
    4. Bruk "fikse nvt" og "fikse npt" -kommandoen til å vedta nese-Hoover metode 20 for å sikre at systemet forblir på ønsket temperatur og trykk til genetrangere et kanonisk og isoterm-isobar ensemble 20, i hvilket system det hastighets Verlet algoritme 20 er ansatt for å forutsi baner av atomene. Bruk både "fikse nvt" og "kjøre" kommandoer for å sette en avkjølingshastighet på 3 K / psec for annealing prosessen.
    5. Bruk "timestep" -kommandoen til å sette en tid steg på 0,2 fsec som tiden integrasjon.
    6. Bruk "fikse vegg / reflektere" -kommandoen til å vedta en reflektert vegg for å begrense graden av frihet (5.3.2).
    7. Bruk "region" og "gruppe" for å dele underlaget i forskjellige kontroll lag (5.4.3): newtonsk atom lag, et termisk kontroll lag, og en bunn fast lag, som kan settes opp ved hjelp av "fix NVE", " fikse NVT ", og" fikse setforce "kommandoer, henholdsvis.
    8. Bruk "region" og "create_atoms" kommandoer for å opprette en sfærisk probe.
    9. Bruk "fix move" kommando for å legge inn C84 mono inn i underlaget (5.4.2) og flytte sonden under simuleringen (5.5.2).
    10. Bruk "run" -kommandoen til å utføre MD simulering.
    11. Bruk "beregne force" (5.6.1) og "beregne spenning / atom" (5.6.4) kommandoer for å vurdere atom stress og innrykk kraft.
      MERK: I det følgende unntak strukturen etablering, ble alle trinnene gjort av LAMMPS script.
  2. Bruk OSSD og OVITO med fremstilling av silisium (111) 7 x 7 Surface.
    1. Slå på OSSD programvare. Klikk på "søk" knappen. "Søkekriterier" panel er presentert. Valgte Si substrat, grunntype, rekonstruert struktur, halvledere elec, diamant gitter, 111 ansikt og 7 x 7 mønster. Klikk på "Søk" og "Godta" knapper. "Struktur list" panel er presentert. Klikk den ønskede struktur (dvs. Si (111) 7 x 7). Klikk på "File" -knappen. Lagre koordinering filen som .xyz fil.
      MERK: Vi påpeker at den strukturelledatabase hentet fra OSSD er ikke stort nok for vår innrykk simulering. Som et resultat, gjenoppbygge vi en større og tykkere underlag ved de følgende trinn.
    2. Slå på OVITO programvare. Laste .xyz filen til OVITO. Bruk "Slice" -kommandoen til å fange en super av Si (111) 7 x 7 flate med størrelse på 26,878 x 46,554 Å 2 i x og y retning. Eksportere datafilen. Bruk "Slice" -kommandoen til å fange en super av bunn Si (111) substrat med størrelse på 26,878 x 46,554 x 9,7 Å tre. Bruk "Show periodiske bilder" kommando for å kopiere den super 12 ganger i z-retningen. Eksportere datafilen.
    3. Kombiner datafilene av Si (111) 7 x 7 overflaten og Si (111) substrat modeller av Notepad ++ (gratis kildekode editor). Til slutt, legger de samlede data inn OVITO. Bruk "Vis periodiske bilder" for å kopiere en 5 x 3 super i x- og y-retningene for å øke størrelsen på underlaget.
    4. Bruk LAMMPS å utføre en 20 psecMD simulering tid for å slappe av simuleringsmodellen. I det følgende foreta en slukkingsprosessen fra 1550 K til romtemperatur for 500 psec simulering tid. Endelig, utføre en 10 psec simulering tid for den endelige avslapning prosessen.
  3. Utarbeidelse av C 84 Fulle med ett lag
    1. Last ned koordinering fil av Optimalisert strukturen i C 84 Fulle fra nettet 21 og skrive et FORTRAN program for å gjenskape 49 C 84 fullerener arrangert i en honeycomb struktur.
    2. Bruk LAMMPS å sette reflektere vegger over og under C 84 monolaget for å sikre at molekylene holde seg på et plan. Utfør en MD simulering tid for 200 psec å slappe av simuleringsmodellen. I det følgende vil utføre en slukkingsprosessen fra 700 K til romtemperatur for å oppnå en glob minimum tilstand for 500 psec simulering tid. Endelig, utføre en 10 psec simulering tid for endelig avslapning prosessen.
  4. Etablere Indentasjon Modell C 84 Fulle ett lag på Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Skriv en FORTRAN kode for å legge C 84 monolag på Si (111) 7 x 7 flate med avstand på 3 Å etablere innrykk modell.
    2. Bruk LAMMPS å legge ned C 84 monolaget i underlaget med dybde på 2 ~ 3 Å. I det følgende, kjører en 40 psec simulering tid for systemet avslapping. Til slutt, anneal system til romtemperatur.
    3. Fordel silikonsubstratet inn i en øvre Newtonsk atomlag, en termisk kontroll sjikt, og et nedre fast lag, som er 0,7, 2 og 5,3 nm i tykkelse, henholdsvis. De C 84 monolagene ble også modellert som en newtonsk atom.
  5. Innrykk Prosessen med MD
    1. Bruk LAMMPS for å skape en sfærisk sonde med 5 nm i diameter på 84 C / Si (111) 7 x 7 overflate-modus (figur 5). Sonden er satt som et stivt legeme. Spesifiser en konstant hastighet på 10 m / sek på prOBE å bevege seg nedover mot prøven i innrykk prosessen.
    2. Bevege sonden nedover til prøven ved en konstant hastighet inntil den bestemte lastedybde (dvs. inkludert tilfeller av 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20, og 30 A for derved å utforske virkningen av C-84 fuller monolag på Si substrat, der størrelsen på C 84 Fulle er 11 A) i lasteprosessen. Holde sonden i substratet i holdeprosessen for å tillate relaksasjon av atomer. Til slutt, trekke ut sonden fra substratet ved en konstant hastighet i tilbaketrekkingsprosessen.
  6. Beregning og analyse
    1. Beregn skår styrke ved å summere den vertikale kraft av atomer i sonden i henhold til de følgende formler:
      ligning (1)
    2. Hentet den reduserte modulus og stivhet fra kraft avstand kurve for innrykk. Basert på Oliver og Pharr & #39; s metode 22, et lineært forhold kan utledes mellom Youngs modul og lossing stivhet. Stivhet (dvs. skråningen av den innledende del) av lossekurve er definert som
      ligning (2)
      hvor P, H, A, E og R er innrykket belastning, elastisk forskyvning av sonden, fremspringende område av fordypningen, og redusert modulus. β (= 1 for sirkulær indenter) er formen modifisering faktor. Forholdet mellom redusert modulus og Youngs modul kan skrives som
      ligning (3)
      hvor E og v er Youngs modul og Poissons tall for prøven og E i og v i er den Youngs modulus og Poisson er forholdet for indenter.
    3. Beregn hardhet per definisjon av H = P max / A, hvor P max og A er den maksimale kraft og innrykk fremspringende område av proben.
    4. Beregn virial atom belastning 22 på m planet til substratet i de n -direction etter
      ligning (4)
      hvor m i er massen av atom i; ligning og ligning er hastighetskomponentene av atom i i m - og n -Retninger henholdsvis; V i er volum tilordnet rundt atom i; N s er antall partikler inneholdt i region S, hvor S er definert som det område av atom interaksjon ; Φ (r ij) er potensialet funksjon; r ij er avstanden mellom atomene i og og ligning er det m - og n -direction komponentene av vektoren fra atom jeg til atom j.
    5. Bruk OVITO å vise von Mises-stamme av hvert atom invariant i henhold til følgende formler:
      ligning (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et monolag av C-84-molekyler på en uordnet Si (111) overflate ble fremstilt ved anvendelse av en kontrollert selv-sammenstillingen prosess i en UHV kammer Figur 1 viser en serie av topografiske bilde målt ved UHV-STM med varierende grad av dekning:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, og (d) 0,9 ML. De elektroniske og optiske egenskapene til den C-84 innebygde Si-substrat ble også undersøkt ved anvendelse av forskjellige overflateanalyseteknikker, slik som STM og PL (figur 2). De utmerkede materialegenskaper av de resulterende prøvene viser hvordan nanoteknologi kan brukes til kontroll av saken på atom- og nanoskala. MFM og blekksprut resultatene i Figur 3 viser overflaten magnetismen C 84 innebygde underlaget. Figur 4 presenterer UHV-AFM resultater som refererer til de nanomechanics av foreslåtte underlaget. Våre eksperimentelle resultater viser at potensialet i p 84 figur 4).

I simuleringen avsnitt, blir alle prosedyrer utført ved hjelp av LAMMPS for å utføre simuleringer MD. De mekaniske egenskaper (innrykk kraft og kontaktspenning) av Rene innebygde substratet er beregnet og vist i figur 6. Benyttes det von Mises-stamme analyse av atomene ved forskjellig tidstrinn for å karakterisere den lokale deformasjon. De tilsvarende øyeblikksbilder som en funksjon av dybden fordypningen kan sees i innsatsene på figur 6, som ble beregnet og visualisert ved OVITO. Resultatene av fordypningen kraft som en funksjon av dybden fordypningen benyttes for å beregne den hardhet H (figur 7a), redusert modul E <sub> r (figur 7b), og lasting stivhet S (figur 8) av det C-84 monolaget. Resultatene kan sammenlignes med den som bestemmes ved forsøk og gir en mer detaljert synspunkt å tolke variasjonen av mekaniske egenskaper.

Figur 1
Figur 1: C 84 Embedded Si-substrat med forskjellig dekning Series of STM topografiske bilde (40 x 40 nm 2) som viser C-84-molekyler adsorbert på Si (111) overflate på en negativ prøve forspenning av 2 V, som målt ved UHV-STM. med varierende grad av dekning: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, og (d) 0,9 ML.

Figur 2
Figur 2: elektroniske egenskaper målinger på C-84 innebygde Si-substrat (a) IV kurver og differensial derivat ledningsevne (dI / DV) vs spenningskurven av en enkelt selv-sammensatte lag av C-84, bestemt ved hjelp av UHV-STM. ; (B) Felt utslippsstrømtetthet vs elektrisk felt kurve; (C) Tilsvarende FN plotting av overflate med integrert C-84, målt ved hjelp av en kilde-måleenhet; (D) Photoluminescence spekteret av enkelt selv-montert lag av C 84. Re-print med tillatelse fra referanse 12. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Surface magnetisme på C 84 Embedded Si substrat (a) MFM bilde av Si Underlag integrert med C 84.; (B) Magnetization sløyfe plottet mot ytre magnetfelt Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Nanomechanical undersøkelse på C 84 Embedded Si substrat Force-avstand analyse av uordnede Si overflaten, 7 x 7 overflaten, enkelt selv-montert lag av C 84 integrert i Si overflaten, og Si overflate, som bestemmes ved hjelp av UHV-AFM.. Re-print med tillatelse fra referanse 11. Klikk herfor å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Flytskjema for å etablere simuleringsmodell Den dramatiske illustrere innstillingen i MD simulering fra et enkelt lag p 84 og Si (111) 7 x 7 overflaten til en C 84 mono legge inn Si (111) 7 x 7-modell.. Detalj prosedyrer kan ses i seksjon 5 av protokollen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: Innrykk kraft og kontakt stress analyse Innrykk kraft (svart) og kontaktspenning (blå) på p 84 som en funksjon av innrykk dybde.. Setter innviser de tilsvarende øyeblikksbilder, der de forskjellige fargene indikerer tilsvar von Mises stamme (ε VM) av alle atomer. Slik fjerner du vise belastningen lokalisering, bare atomene med ε VM> 0,08 vises i øyeblikksbildet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7:.. Hardhet og redusert modulus analyse (a) Hardhet og (b) redusert modul variant som en funksjon av innrykk dybde for C 84 monolayer på Si overflaten Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 8: Laster stivhet analyse. Last stivhet som en funksjon av avstand bestemmes av MD-simuleringer, sammenlignet med den av AFM-eksperimenter for C 84 / Si. Modifisert fra referanse 16. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne studien viser vi fremstilling av en selv-sammenstilt monolag av C 84 på et Si-substrat gjennom en ny utglødningsprosessen (figur 1). Denne fremgangsmåte kan også anvendes for å fremstille andre typer nanopartikkel-innebygde halvledersubstrater. C 84 -embedded Si substrat ble preget på atomært skala ved hjelp av UHV-STM (figur 2), felt utslipp spektrometer, foto-luminescens spektroskopi, MFM og blekksprut (figur 3).

Adhesjonen styrke svarende til Nanomechanical egenskaper (dvs. spennings) av C-84 -embedded Si substrater kan måles ved hjelp av AFM (figur 4). Våre resultater viser at hardheten av den foreslåtte C 84 -embedded Si-substrat er sammenlignbar med SiC og Si flater, noe som gjør det anvendelig som et slipemateriale for skjærende verktøy, så vel som en film i MEMS anordninger.

jove_content "> I simuleringen-delen, er i stand til å gjenkjenne den lokale deformasjon av atom-strukturen, noe som er meget vanskelig å bli observert i forsøk på von Mises-stammen (ε vM) analyse. Det er imidlertid ikke mulig å karakterisere fasetransformasjonen. her foreslår vi noen nyttige indekser som koordinasjonstall og hA-indeksen 23 for å undersøke fase transformasjon. i innstillingen av innrykk modellen, må vi påpeke at størrelsen på underlaget i plan retning må være minst tre ganger større enn diameteren av sonden for å eliminere størrelseseffekten og grensebetingelsen begrensning, noe som ville påvirke dynamikken og kraftstrømmen atomer.

I tillegg, på grunn av tidsfristen for MD simulering, for å studere den innrykk prosessen, bør sonden utøve prøven med en svært høy hastighet i forhold til den i eksperimentet. Vi merker oss at en slik lasting hastigheten er for høy til å komme ut på lang tid påomic diffusjon og migrasjon atferd, men det er likevel egnet til å observere og beskrive plast deformasjon atferd og materialegenskaper under mekanisk lasting 24 fordi resultatene kan bli anerkjent som omtrent kvasi-statisk i naturen 25. En alternativ teori, kalt Parallel Replica dynamikk (PRD) 26, er utviklet for å betydelig akselerere simulering tid, men det krever tunge dataressurser.

De hentet fra MD simuleringsstudie data er i overensstemmelse med AFM innrykk forsøket (figur 8); i tillegg, hardhet og redusert modulus av C-84 -embedded Si-substrat er sammenlignbare med andre Si substrater. Disse dataene tyder på at C 84 -embedded Si substrater kan ha betydelige konsekvenser i optoelektroniske og fortynne magnetisk halvledere (DMS) nanodevices.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

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 Fulle C Si substrat elektronikk overflate magnetisme molekyldynamikk scanning probe mikroskopi nanomechanics mekanisk eiendom nanoindentation fysikk
Verifiserer C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si underlaget med Scanning Probe Mikroskopi 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