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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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Abstract

इस पत्र की रिपोर्ट के एक सरणी से डिजाइन सी 84 -embedded सी सब्सट्रेट एक अति उच्च निर्वात चैम्बर में एक नियंत्रित आत्म विधानसभा विधि का उपयोग कर गढ़े। सी 84 की विशेषताओं, इस तरह के परमाणु संकल्प स्थलाकृति, राज्यों के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक घनत्व, बैंड अंतराल ऊर्जा, क्षेत्र उत्सर्जन गुण, nanomechanical कठोरता, और सतह चुंबकत्व के रूप में सी सतह -embedded, अल्ट्रा तहत सतह विश्लेषण तकनीक की एक किस्म का उपयोग कर जांच की गई, उच्च निर्वात (UHV) की स्थिति के साथ ही में एक वायुमंडलीय प्रणाली। प्रयोगात्मक परिणाम सी 84 के उच्च एकरूपता -embedded सी सतह एक नियंत्रित आत्म विधानसभा नैनो तंत्र का उपयोग कर गढ़े, काटने के उपकरण क्षेत्र उत्सर्जन प्रदर्शन (फेड), optoelectronic उपकरण निर्माण, एमईएमएस के आवेदन में एक महत्वपूर्ण विकास का प्रतिनिधित्व करता है, और प्रयासों में प्रदर्शित कार्बाइड अर्धचालकों के लिए एक उपयुक्त प्रतिस्थापन खोजने के लिए। आणविक गतिशीलता (एमडी) अर्द्ध अनुभवजन्य क्षमता के साथ विधि बी कर सकते हैंई सी 84 के nanoindentation का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता सी सब्सट्रेट -embedded। एमडी सिमुलेशन के प्रदर्शन के लिए एक विस्तृत विवरण यहां प्रस्तुत किया है। ऐसे खरोज बल, यंग मापांक, सतह कठोरता, परमाणु तनाव, और परमाणु तनाव के रूप में एमडी सिमुलेशन के यांत्रिक विश्लेषण पर एक व्यापक अध्ययन के लिए विवरण शामिल किए गए हैं। खरोज मॉडल के परमाणु तनाव और वॉन Mises-तनाव वितरण atomistic स्तर में समय मूल्यांकन के साथ विरूपण तंत्र की निगरानी के लिए गणना की जा सकती है।

Introduction

Fullerene अणुओं और मिश्रित सामग्री उनके उत्कृष्ट संरचनात्मक विशेषताओं, इलेक्ट्रॉनिक चालकता, यांत्रिक शक्ति, और रासायनिक गुणों 1-4 के कारण वे शामिल nanomaterials के बीच में विशिष्ट हैं। इन सामग्रियों जैसे इलेक्ट्रॉनिक्स, कंप्यूटर, ईंधन सेल प्रौद्योगिकी, सौर कोशिकाओं, और क्षेत्र उत्सर्जन प्रौद्योगिकी 5,6 के रूप में क्षेत्रों की एक श्रृंखला में अत्यधिक लाभकारी सिद्ध कर दिया है।

इन सामग्रियों के अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड (इस प्रकार) nanoparticle कंपोजिट उनके व्यापक अंतर बैंड, उच्च तापीय चालकता और स्थिरता, उच्च बिजली के टूटने की क्षमता है, और रासायनिक निष्क्रियता पर विशेष ध्यान धन्यवाद प्राप्त हुआ है। इन लाभों optoelectronic उपकरणों में विशेष रूप से स्पष्ट कर रहे हैं, धातु ऑक्साइड अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (MOSFET), प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी), और उच्च शक्ति, उच्च आवृत्ति, और उच्च तापमान अनुप्रयोगों। हालांकि, उच्च घनत्व दोष सामान्यतः Conventi की सतह पर मनायाonal सिलिकॉन कार्बाइड इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर हानिकारक प्रभाव हो सकता है, यहां तक कि डिवाइस विफलता 7.8 के लिए अग्रणी। तथ्य यह है कि इस प्रकार के आवेदन 1960 के बाद से अध्ययन किया गया है के बावजूद, इस विशेष अनसुलझे समस्या बनी हुई है।

इस अध्ययन का उद्देश्य एक सी 84 के निर्माण -embedded सी सब्सट्रेट heterojunction और बाद के विश्लेषण के परिणामस्वरूप सामग्री की, इलेक्ट्रॉनिक optoelectronic, यांत्रिक, चुंबकीय, और क्षेत्र उत्सर्जन संपत्तियों की एक व्यापक समझ प्राप्त करने के लिए किया गया था। हम यह भी संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग nanomaterials की विशेषताओं की भविष्यवाणी करने के लिए, आणविक गतिशीलता गणना के उपन्यास आवेदन के माध्यम से करने के मुद्दे को संबोधित किया।

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Protocol

नोट: कागज एक semiconducting सब्सट्रेट की सतह पर एक आत्म इकट्ठे फुलरीन सरणी के गठन में इस्तेमाल किया तरीकों की रूपरेखा। विशेष रूप से, हम उच्च के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक क्षेत्र emitter या microelectromechanical सिस्टम (एमईएमएस), और उच्च तापमान, उच्च शक्ति में optoelectronic उपकरणों, आवेदन में सब्सट्रेट के रूप में उपयोग के लिए एक फुलरीन एम्बेडेड सिलिकॉन सब्सट्रेट की तैयारी के लिए एक उपन्यास विधि प्रस्तुत आवृत्ति उपकरणों 9-13।

1. का निर्माण हेक्सागोनल बंद पैक (HCP) overlayer सी 84 के सी सब्सट्रेट पर

  1. तैयार स्वच्छ सी (111) सब्सट्रेट
    1. विषय Si आरसीए को सब्सट्रेट सफाई (अमेरिका के रेडियो निगम), एक विलायक ऑक्साइड परत और सब्सट्रेट की सतह से अशुद्धियों को हटाने के लिए एक अति उच्च निर्वात प्रणाली में हीटिंग के द्वारा पीछा के आवेदन को शामिल (समर्थन सामग्री देखें)।
      नोट: इस के साथ साथ, शब्द "UHV-अति उच्च निर्वात प्रणाली" संदर्भित करता हैनीचे 1 एक्स 10 एक वैक्यूम -8 Pa एक सी (111) की तैयारी में इस्तेमाल किया।
  2. सिलिकॉन की सतह पर जमा सी 84 एक UHV प्रणाली में थर्मल वाष्पीकरण का उपयोग
    1. दोष के outgassing बढ़ावा देने के लिए 500 डिग्री सेल्सियस के लिए हीटिंग तंतु के माध्यम से बाहरी बिजली की आपूर्ति के साथ एक कश्मीर सेल बाष्पीकरण पूर्व गर्मी।
    2. एक कश्मीर सेल कंटेनर में सी 84 नैनोकणों लोड। Resistively 650 डिग्री सेल्सियस के लिए कश्मीर सेल गर्मी। सी भाप बनकर 84 नैनोकणों के रूप में कंटेनर में सी 84 नैनोकणों वाष्प रचना करते हैं। सी लुप्त हो जाना सीधे लाइनों में 84 नैनोकणों तक नैनोकणों नीचे 5 एक्स 10 -8 पा दबाव में एक नियंत्रित वाल्व के माध्यम से एक सी सब्सट्रेट हड़ताल।
  3. ट्वीट सी 84 विधानसभा स्वयं तंत्र के माध्यम से सी सतह के भीतर अणु
    1. प्री-पानी रखना सी (111) एक अति उच्च निर्वात प्रणाली में 900 डिग्री सेल्सियस पर सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए (1x1) संरचनाओं। depos के लिए 30 मिनट के लिए 650 डिग्री सेल्सियस तक तापमान में कमीसब्सट्रेट की सतह पर सी 84 नैनोकणों के ition।
    2. ~ 750 सी सब्सट्रेट पानी रखना 12 घंटा, जो समय के दौरान पाउडर-सी 84 नैनोकणों के लिए डिग्री सेल्सियस सी (111) सब्सट्रेट की सतह पर एक अत्यधिक वर्दी फुलरीन सरणी में स्वयं को इकट्ठा।
      नोट: इस के साथ साथ, शब्द "अत्यधिक वर्दी फुलरीन सरणी" सब्सट्रेट पर फुलरीन के समान वितरण, जिसमें नैनोकणों के सबसे सब्सट्रेट की सतह पर सीधा एक कॉम्पैक्ट व्यवस्था में उन्मुख होते हैं दर्शाता है। यह विन्यास सुनिश्चित करने के लिए कि फुलरीन सरणी की खड़ी ऊंचाई सभी नमूनों में अनिवार्य रूप से समान था मदद की।

2. सी 84 के इलेक्ट्रॉनिक गुणों का माप -embedded सी सब्सट्रेट

  1. उपाय राज्यों की स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक घनत्व UHV स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी का उपयोग
    1. उपाय UHV-एसपीएम का उपयोग कर विशिष्ट परमाणुओं के चतुर्थ घटता
    2. प्लेस सी 84
    3. "चतुर्थ" माप आइटम पर क्लिक करें परमाणु संकल्प पर टनलिंग वर्तमान मैं मापने के लिए। मापन के लिए सी 84 -embedded सी सब्सट्रेट पर कम से कम 20 विशेष स्थानों का चयन करें। टनलिंग वर्तमान मैं अधिक 20 विशेष स्थानों का मतलब मूल्य की गणना। मैं वोल्टेज के एक समारोह के रूप में निकाले जाते हैं। प्लॉट चतुर्थ घटता।
    4. वी के संबंध में मैं (वी) के व्युत्पन्न की गणना के क्रम में सी 84 के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक स्थिति का निर्धारण करने के लिए कन्वर्ट DI / डीवी के लिए चतुर्थ घटता वोल्टेज के एक समारोह के रूप में सी सब्सट्रेट -embedded।
  2. उपाय बैंड अंतराल ऊर्जा
    1. 2.1.2 और 2.1.3 के बाद से में प्रक्रियाओं के अनुसार चतुर्थ घटता प्राप्त: सी (111) -7x7 सतह, सी (111) -1x1 सतह, एक व्यक्ति सी सी पर 84 नैनोकणों, 7-19 सी 84सी पर समूहों, सी पर 20-50 सी 84 समूहों, और सी सतह के भीतर एम्बेडेड सी 84 की एक monolayer।
    2. वी के संबंध में मैं (वी) के व्युत्पन्न की गणना होमोसेक्सुअल Lumo ऊर्जा मतभेद के रूप में चित्रा 2A में दिखाया गया है, प्रत्येक माप स्थान में (बैंड अंतराल ऊर्जा कहा जाता है) को मापने के लिए DI / डीवी घटता कन्वर्ट करने के लिए चतुर्थ घटता।
  3. प्राप्त फील्ड उत्सर्जन (FE) गुण
    1. प्लेस सी 84 एक फ़े नमूना धारक पर सी सब्सट्रेट -embedded। एफई विश्लेषण के चेंबर में धारक डालें। एफई माप के लिए लगभग 5 x 10 -5 पा के एक दबाव के कक्ष खाली।
      नोट: सी 84 -embedded सिलिकॉन सब्सट्रेट कैथोड और ~ 0.71 मिमी 2 एनोड के रूप में कार्य एक पार के अनुभागीय क्षेत्र के साथ एक तांबे जांच के रूप में कार्य किया। कैथोड और एनोड के बीच की दूरी लगभग 590 माइक्रोन था।
    2. लागू वोल्टेज अनुरूप उपाय 100 वी वी 1100 से सब्सट्रेट पर मैन्युअल रूप से बढ़ाएँवर्तमान एम्पलीफायर के साथ एक उच्च वोल्टेज स्रोत माप की इकाई का उपयोग कर लागू वोल्टेज के एक समारोह के रूप में क्षेत्र उत्सर्जन वर्तमान हैैं।
    3. काम समारोह ~ 5 eV के रूप में चित्रा 2 बी में दिखाया गया के अनुसार बहेलिया-Nordheim क्षेत्र उत्सर्जन सहसंबंध की गणना।
    4. लगभग 4383 की एक β मूल्य के साथ एफ (क्षेत्र) = β (वी / घ): ज्यामितीय क्षेत्र वृद्धि कारक (β) के रूप में प्राप्त करते हैं।
    5. प्राकृतिक लघुगणक की ढलान (जम्मू / ई 2) बनाम (1 / ई) है, जो हमें की ~ 4.0 x 10 6 वी / सी 84 के लिए सेमी -embedded सी सब्सट्रेट एक मूल्य के आधार पर दिया वैक्यूम के अंतर्गत बिजली के टूटने क्षेत्र प्राप्त चित्रा -2 सी में दिखाया गया है।
  4. Optoelectronic गुण
    1. एक ऑप्टिकल उत्सर्जन माप प्रणाली के लिए परीक्षण सब्सट्रेट स्थानांतरण। सब्सट्रेट कि नमूना डिब्बे के केंद्र में स्थित है पर 325 एनएम उत्सर्जन के साथ एक वह सीडी लेजर स्रोत ध्यान दें। एक उपयुक्त स्थिति में एक स्पेक्ट्रोमीटर सेट करें। एक विशेष प्रयोग करेंctrometer इकट्ठा करने और उत्सर्जन फोटॉनों का विश्लेषण करके photoluminescence स्पेक्ट्रम हासिल करने के लिए। Optoelectronic परिणाम चित्रा 2 डी में दिखाया गया है।

3. भूतल चुंबकत्व की माप

  1. प्राप्त एम एफ एम (चुंबकीय शक्ति माइक्रोस्कोपी) स्थलाकृति।
    1. आकृष्ट सी 84 के नमूने लगभग 2 Koe के एक क्षेत्र की ताकत के साथ एक चुंबक लगाने से एम एफ एम माप करने से पहले सी -embedded।
    2. एक एम एफ एम नमूना मंच पर चुम्बकीय नमूना रखें। "प्राप्त एम एफ एम स्थलाकृति" आइटम पर क्लिक करें। चुंबकीय डोमेन नमूना की सतह पर सीधा संस्कार के आवेदन के साथ लिफ्ट मोड में एम एफ एम सी सब्सट्रेट का उपयोग कर के भीतर एम्बेडेड में फुलरीन के microstructure का निरीक्षण करें।
    3. एम एफ एम मापन के लिए एक नैनो पैमाने पर पीपीपी MFMR ब्रैकट (चित्रा 3 ए) का प्रयोग करें। सतह चुंबकत्व निर्धारित बनाने के लिए एम एफ एम स्थलाकृति प्रकट होता है, तो गहरे रंग (उज्जवल) जब टिप के चुंबकीय क्षण सैम में हैई (विपरीत) सब्सट्रेट पल की दिशा।
  2. विद्रूप (अतिचालक क्वांटम हस्तक्षेप डिवाइस) मापन
    1. तैयार सी 84 के monolayer -embedded सी सब्सट्रेट और सी 84 एम्बेडेड सी सब्सट्रेट पर सी 84 समूहों।
    2. सी 84 के नमूने आकृष्ट एम्बेडेड सी सब्सट्रेट लगभग 2 Koe के एक क्षेत्र की ताकत के साथ एक चुंबक लगाने से विद्रूप प्रयोगों के लिए पहले सी 84 पर सी और सी 84 समूहों -embedded।
    3. एक व्यंग्य में नमूना रखें। ~ 2 koe की एक श्रृंखला में एक व्यापक चुंबकीय क्षेत्र को लागू करें। कमरे के तापमान पर व्यंग्य माप में बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बनाम साजिश रची संस्कार छोरों प्राप्त करते हैं।
      नोट: के रूप में चित्रा 3 बी में दिखाया गया एक ferromagnetic सामग्री के लिए विशिष्ट महाराष्ट्र की अवस्था प्राप्त किया जा सकता है।

4. AFM द्वारा Nanomechanical गुणों की माप

नोट: परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) प्रदान करता है एकसूक्ष्म पर सामग्री और यांत्रिक गुणों और हवा में नैनो-तराजू के लक्षण वर्णन के लिए और साथ ही एक UHV वातावरण में शक्तिशाली उपकरण

  1. कठोरता को मापने सी 84 एंबेडेड सी सब्सट्रेट के तहत वातावरण की स्थिति का
    1. एक AFM नमूना मंच पर सब्सट्रेट रखें। एक स्कैनर का उपयोग कर substrates पर एक तेज टिप खींचें। टिप नमूना बातचीत बलों के एक उपाय के रूप में टिप के विस्थापन की निगरानी। "बल माप" आइटम पर क्लिक करके एक निश्चित स्थान में खड़ी दिशा के साथ कई टिप नमूना दूरी पर आंदोलनों रिकॉर्ड।
    2. प्राकृतिक ऑक्साइड के 2-3 एनएम परत के साथ एक आरसीए-साफ सी सब्सट्रेट से और साथ ही एक सी 84 से वायुमंडलीय परिस्थितियों में एक AFM का उपयोग करते हुए बल माप प्राप्त सी सब्सट्रेट और एक सी सब्सट्रेट इस प्रकार की एक पतली फिल्म के साथ लेपित -embedded।
    3. AFM सॉफ्टवेयर का उपयोग करना, वायुमंडलीय परिस्थितियों में सेना दूरी घटता साजिश है।
      नोट: AFM ब्रैकट के एक टिप त्रिज्या के साथ एक सी जांच था~ की ~ 40 एन / मी 5-20 एनएम और लगातार वसंत।
  2. उपाय UHV चैंबर में सी 84 की कठोरता एंबेडेड सी सब्सट्रेट
    1. 4.1.1 के मार्गदर्शन के एक आरसीए-साफ सी सब्सट्रेट, एक साफ सी (111) -7x7 सतह से एक UHV प्रणाली में एक AFM का उपयोग कर के अनुसार बल माप प्राप्त, एक सी 84 -embedded सी सब्सट्रेट, सब्सट्रेट और एक सी सब्सट्रेट लेपित इस प्रकार की एक पतली फिल्म के साथ।
    2. एक UHV प्रणाली में सेना दूरी घटता प्लॉट। नोट:। AFM ब्रैकट ~ 5-20 एनएम और वसंत की लगातार ~ 40 एन / मी के एक टिप त्रिज्या के साथ एक सी जांच था 4 चित्रा अव्यवस्थित सी सतह के बल दूरी विश्लेषण प्रस्तुत करता है, 7 x 7 सतह, एकल आत्म सी 84 सी सतह, और सी सतह के भीतर एम्बेडेड के इकट्ठे परत, के रूप में UHV-AFM का उपयोग निर्धारित किया।

एमडी सिमुलेशन द्वारा Nanomechanical गुण 5. मापन

नोट: सिमुलेशन अनुभाग में, OVITO 16 (खुला स्रोत visualizatiसॉफ्टवेयर पर) और, oSSD 17 (ओपन सतह की संरचना डेटाबेस) सिमुलेशन मॉडल और परिणाम दृश्य बनाने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। LAMMPS 14 (एक खुला स्रोत आणविक गतिशीलता (एमडी) अनुकरण पैकेज) nanoindentation सिमुलेशन प्रदर्शन और विश्लेषण सिमुलेशन परिणाम 15 के लिए कार्यरत है। सभी अनुकरण नौकरियों उन्नत बड़े पैमाने पर समानांतर मंडल NCHC की (आल्प्स) में समानांतर कंप्यूटिंग के साथ प्रदर्शन कर रहे हैं।
नोट: एमडी सिमुलेशन का उपयोग करके सी 84 monolayer / सी सब्सट्रेट heterojunction का अध्ययन करने के लिए, एक एक सुकून सी 84 monolayer सी सब्सट्रेट में एम्बेडेड प्राप्त करने के लिए कई कदम से एक सिमुलेशन मॉडल तैयार करना चाहिए। ध्यान दें कि यह सी 84 monolayer और सी (111) सब्सट्रेट heterojunction के बीच अंतर संरचना के जटिल की वजह से, प्रयोगात्मक डेटा से एक वास्तव में एक ही संरचना उत्पन्न करने के लिए मुश्किल है। एक परिणाम के रूप में, हम प्रक्रिया के कई कदम के साथ सिमुलेशन मॉडल उत्पन्न करने के लिए एक कृत्रिम तरीके से उपयोग,जो चित्रा 5 में सचित्र है। विवरण निम्नलिखित प्रोटोकॉल में वर्णित हैं। हम वर्णन कैसे सेटअप LAMMPS में प्रबंध निदेशक के पैरामीटर, एक सुकून सी 84 फुलरीन monolayer एक सब्सट्रेट में एम्बेडेड की स्थापना एक खरोज प्रक्रिया का प्रदर्शन, और सिमुलेशन परिणामों का विश्लेषण।

  1. LAMMPS इनपुट फ़ाइल में पैरामीटर सेटिंग
    1. एक्स में आवधिक सीमा की स्थिति और वाई-निर्देशों स्थापित करने के लिए सीमा आदेश का उपयोग करें।
    2. प्रणाली के प्रत्येक परमाणु पर एक गाऊसी वितरण के साथ प्रारंभिक वेग आवंटित करने के लिए, बेतरतीब ढंग से "ठीक वेग" कमांड का प्रयोग करें।
    3. का प्रयोग करें सी सी और सी-सी बातचीत और सीसी बातचीत, क्रमशः वर्णन करने के लिए Tersoff 18 और 19 AIREBO क्षमता आवंटित करने के लिए कमांड "pair_style ठीक"।
    4. "ठीक NVT" का प्रयोग करें और कमांड "एनपीटी ठीक" यह सुनिश्चित करने के लिए प्रणाली वांछित तापमान और जीन करने के लिए दबाव में रहता है नाक-हूवर विधि को अपनाने के लिए 20एक विहित और इज़ोटेर्माल-समदाब रेखीय पहनावा 20 है, जो व्यवस्था में वेग-Verlet एल्गोरिथ्म 20 परमाणुओं के प्रक्षेप पथ भविष्यवाणी करने के लिए कार्यरत है दर। दोनों "ठीक NVT" और "रन" का प्रयोग annealing प्रक्रिया के लिए 3 कश्मीर / psec की एक शीतलन दर निर्धारित करने के लिए आदेश।
    5. समय एकीकरण के रूप में 0.2 FSEC का एक समय निर्धारित करने के लिए कदम का प्रयोग करें "timestep" कमांड।
    6. प्रयोग स्वतंत्रता (5.3.2) की डिग्री सीमित करने के लिए एक परिलक्षित दीवार को अपनाने के लिए कमांड "दीवार / प्रतिबिंबित ठीक"।
    7. अलग नियंत्रण परतों में सब्सट्रेट (5.4.3) विभाजित करने के लिए "क्षेत्र" और "समूह" का उपयोग करें: न्यूटन परमाणु परत, एक थर्मल नियंत्रण परत, और एक नीचे तय परत है, जो "ठीक NVE" की मदद से स्थापित किया जा सकता है, " NVT ठीक ", और" setforce "आदेशों क्रमश: तय कर लो।
    8. एक गोलाकार जांच बनाने के लिए "क्षेत्र" और "create_atoms" का प्रयोग हासिल है।
    9. सब्सट्रेट (5.4 में C84 monolayer एम्बेड करने के लिए "ठीक चाल" आदेश का उपयोग करें।2) और सिमुलेशन (5.5.2) के दौरान जांच के लिए कदम।
    10. एमडी सिमुलेशन प्रदर्शन करने के लिए "रन" आदेश का उपयोग करें।
    11. "कंप्यूट बल" (5.6.1) और "गणना तनाव / एटम" (5.6.4) का उपयोग परमाणु तनाव और खरोज बल का मूल्यांकन करने के लिए आदेश।
      नोट: बाद में, संरचना की स्थापना को छोड़कर, सभी कदम LAMMPS स्क्रिप्ट के द्वारा किया गया था।
  2. सिलिकॉन (111) 7 एक्स 7 सतह की तैयारी के लिए oSSD और OVITO का प्रयोग करें।
    1. oSSD सॉफ्टवेयर चालू करें। "खोज" बटन पर क्लिक करें। "खोज मानदंड" पैनल प्रस्तुत किया है। सी सब्सट्रेट, मौलिक प्रकार, खंगाला संरचना, अर्धचालक चुनाव, हीरा जाली, 111 चेहरे और 7 एक्स 7 पैटर्न चुना। "खोज" और "स्वीकार" बटन पर क्लिक करें। "संरचना" सूची पैनल प्रस्तुत किया है। (यानी, सी (111) 7 एक्स 7) वांछित संरचना पर क्लिक करें। "फाइल" बटन पर क्लिक करें। .xyz फ़ाइल के रूप में समन्वय फ़ाइल सहेजें।
      नोट: हम है कि संरचनात्मक बाहर बातoSSD से निकाला डेटाबेस हमारे खरोज अनुकरण के लिए इतना बड़ा नहीं है। एक परिणाम के रूप में, हम निम्नलिखित कदम से एक बड़ा और मोटा सब्सट्रेट के पुनर्निर्माण।
    2. OVITO सॉफ्टवेयर चालू करें। OVITO में .xyz फ़ाइल लोड। "टुकड़ा" आदेश का उपयोग सी का एक supercell (111) एक्स और वाई दिशा में 26.878 एक्स 46.554 एक 2 के आकार के साथ 7 x 7 सतह पर कब्जा करने के लिए। डेटा फ़ाइल निर्यात। "टुकड़ा" आदेश का उपयोग करें नीचे सी (111) एक 3 26.878 एक्स 46.554 एक्स 9.7 के आकार के साथ सब्सट्रेट के एक supercell पर कब्जा करने के लिए। Z दिशा में supercell 12 बार नकल करने "दिखाएँ आवधिक छवियों" आदेश का उपयोग करें। डेटा फ़ाइल निर्यात।
    3. सी के डेटा फ़ाइलों गठबंधन (111) 7 एक्स 7 सतह और सी (111) नोटपैड द्वारा सब्सट्रेट मॉडल ++ (एक मुक्त स्रोत कोड संपादक)। अंत में, OVITO में संयुक्त डेटा लोड। "दिखाएँ आवधिक छवियों" का प्रयोग एक्स और वाई दिशाओं में एक 5 एक्स 3 supercell नकल करने सब्सट्रेट का आकार बड़ा करने के लिए।
    4. एक 20 psec प्रदर्शन करने के लिए LAMMPS का प्रयोग करेंसिमुलेशन मॉडल आराम के लिए एमडी सिमुलेशन समय। बाद में, 500 psec सिमुलेशन समय के लिए कमरे के तापमान पर से 1,550 कश्मीर एक बुझाना प्रक्रिया प्रदर्शन करते हैं। अंत में, अंतिम छूट की प्रक्रिया के लिए एक 10 psec सिमुलेशन समय प्रदर्शन करते हैं।
  3. सी 84 Fullerene monolayer की तैयारी
    1. वेब 21 से 84 सी फुलरीन की अनुकूलित संरचना के समन्वय फाइल डाउनलोड और 49 सी 84 फुलरीन एक छत्ते संरचना में व्यवस्था को दोहराने के लिए एक फोरट्रान कार्यक्रम के बारे में।
    2. सेटअप करने के लिए LAMMPS उपयोग सुनिश्चित करने के लिए कि अणुओं एक योजना पर रहने पर और सी 84 monolayer नीचे दीवारों को दर्शाते हैं। 200 psec सिमुलेशन मॉडल आराम करने के लिए एक एमडी सिमुलेशन समय प्रदर्शन करना। बाद में, 500 psec सिमुलेशन समय के लिए एक glob कम से कम राज्य प्राप्त करने के लिए कमरे के तापमान को 700 से कश्मीर एक बुझाना प्रक्रिया प्रदर्शन करते हैं। अंत में, अंतिम छूट की प्रक्रिया के लिए एक 10 psec सिमुलेशन समय प्रदर्शन करते हैं।
  4. Indenta स्थापित करनासिलिकॉन पर सी 84 Fullerene monolayer के tion मॉडल (111) 7 एक्स 7 भूतल।
    1. एक फोरट्रान कोड लिखें सी सी 84 monolayer बिछाने के लिए 3 ए की दूरी के साथ (111) 7 एक्स 7 सतह खरोज मॉडल स्थापित करने के लिए।
    2. 2 ~ 3 गहराई के साथ सब्सट्रेट में सी 84 monolayer एम्बेड करने के लिए LAMMPS का प्रयोग करें। बाद में, प्रणाली विश्राम के लिए एक 40 psec सिमुलेशन समय चला रहे हैं। अंत में, कमरे के तापमान पर पानी रखना प्रणाली।
    3. एक शीर्ष न्यूटन परमाणु परत, एक थर्मल नियंत्रण परत, और एक नीचे तय परत है, जो क्रमश: 0.7, 2, और मोटाई में 5.3 एनएम, कर रहे हैं में सिलिकॉन सब्सट्रेट फूट डालो। सी 84 monolayers भी एक न्यूटन परमाणु रूप में मॉडलिंग कर रहे थे।
  5. एमडी के खरोज प्रक्रिया
    1. सी 84 / सी (111) 7 एक्स 7 सतह मोड पर व्यास में 5nm (चित्रा 5) के साथ एक गोलाकार जांच बनाने के लिए LAMMPS का प्रयोग करें। जांच एक कठोर शरीर के रूप में सेट किया गया है। जनसंपर्क पर 10 मीटर / सेकंड की एक निरंतर वेग निर्दिष्ट करेंखरोज प्रक्रिया में नमूना की ओर नीचे स्थानांतरित करने के लिए ओबीई।
    2. जांच के नीचे नमूना करने के लिए एक स्थिर गति से विशिष्ट लोड हो रहा है गहराई तक (यानी, 1.5 के मामलों, 2.5, 4.5, 10, 15, 20 सहित 30 की एक चाल है, तो के रूप में सी 84 फुलरीन monolayer के प्रभाव का पता लगाने के लिए लोड करने की प्रक्रिया में सी सब्सट्रेट, सी 84 फुलरीन के आकार के है, जहां 11 ए) पर। पकड़े प्रक्रिया में सब्सट्रेट में जांच पकड़ो परमाणुओं के विश्राम के लिए अनुमति देने के लिए। अंत में, त्याग की प्रक्रिया में एक स्थिर गति से सब्सट्रेट से जांच निकाल सकते हैं।
  6. गणना और विश्लेषण
    1. निम्न सूत्रों के अनुसार जांच में परमाणुओं के ऊर्ध्वाधर बल संक्षेप द्वारा खरोज बल की गणना:
      समीकरण (1)
    2. खरोज के बल-दूरी की अवस्था से घटाकर मापांक और कठोरता निकाली गई। ओलिवर और Pharr & # के आधार पर39 की विधि 22, एक रैखिक संबंध यंग मापांक और उतराई कठोरता के बीच प्राप्त किया जा सकता है। कठोरता (यानी, प्रारंभिक भाग के ढलान) उतराई वक्र के रूप में परिभाषित किया गया है
      समीकरण (2)
      जहां पी, एच, ए, और आर खरोज लोड, जांच की लोचदार विस्थापन, खरोज की अनुमानित क्षेत्र, और कम मापांक हैं। β (= 1 परिपत्र indenter के लिए) आकार संशोधन कारक है। कम मापांक और यंग मापांक के बीच के रिश्ते के रूप में लिखा जा सकता है
      समीकरण (3)
      जहां और वी यंग मापांक और नमूना और के लिए मैं पॉसों के अनुपात रहे और वी मैं यंग मापांक और indenter के लिए पॉसों के अनुपात रहे हैं।
    3. एच की परिभाषा से कठोरता की गणना = पी एमएएक्स / ए, जहां पी अधिकतम और अधिकतम खरोज बल और जांच की अनुमानित क्षेत्र हैं।
    4. द्वारा n -direction में सब्सट्रेट के मीटर विमान पर virial परमाणु तनाव की गणना 22
      समीकरण (4)
      जहां मीटर मैं परमाणु मैं की बड़े पैमाने पर होता है; समीकरण तथा समीकरण मीटर में परमाणु मैं के वेग घटक हैं - और एन -directions, क्रमशः, वी मैं मात्रा परमाणु मैं चारों ओर सौंपा है, एन एस एस क्षेत्र है, जहां परमाणु बातचीत के क्षेत्र के रूप में परिभाषित किया गया है के भीतर निहित कणों की संख्या है ; Φ (आर आई जे) संभावित समारोह है; आर आई जे परमाणुओं रहा और बीच की दूरी है तथा समीकरण और एन -direction वेक्टर परमाणु से मैं जम्मू परमाणु के घटकों की - मीटर कर रहे हैं।
    5. निम्न सूत्रों के अनुसार प्रत्येक परमाणु अपरिवर्तनीय का वॉन Mises तनाव को दिखाने के लिए OVITO का उपयोग करें:
      समीकरण (5)

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Representative Results

एक अव्यवस्थित सी (111) की सतह पर सी 84 के अणुओं की एक monolayer एक UHV कक्ष में एक नियंत्रित आत्म विधानसभा प्रक्रिया का उपयोग कर निर्मित किया गया था चित्रा 1 कवरेज के विभिन्न डिग्री के साथ UHV-एसटीएम द्वारा मापा स्थलाकृतिक छवियों की एक श्रृंखला से पता चलता है:। (एक) 0.01 एमएल, (ख) 0.2 मिलीग्राम, (ग) 0.7 मिलीलीटर, और (घ) 0.9 मिलीलीटर। सी 84 एम्बेडेड सी सब्सट्रेट के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण भी इस तरह के एसटीएम और पी एल (चित्रा 2) के रूप में सतह विश्लेषण तकनीक की एक किस्म का उपयोग कर जांच की गई। जिसके परिणामस्वरूप नमूनों की उत्कृष्ट सामग्री गुण कैसे नैनो atomic- और नैनो पैमाने पर इस मामले के नियंत्रण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता प्रदर्शित करता है। चित्रा 3 में एम एफ एम और विद्रूप परिणाम सी 84 एम्बेडेड सब्सट्रेट की सतह चुंबकत्व दिखा। चित्रा 4 प्रस्तुत UHV-AFM परिणाम है कि प्रस्तावित सब्सट्रेट के nanomechanics को देखें। हमारे प्रयोगात्मक परिणामों सी 84 की क्षमता प्रदर्शित (चित्रा 4 में)।

सिमुलेशन अनुभाग में, सभी प्रक्रियाओं के एमडी सिमुलेशन प्रदर्शन करने LAMMPS का उपयोग करके पूरा कर रहे हैं। यांत्रिक गुणों (खरोज बल और संपर्क तनाव) फुलरीन एम्बेडेड सब्सट्रेट की गणना की और 6 चित्र में दिखाया गया है। अलग-अलग समय पर कदम परमाणुओं के वॉन Mises तनाव विश्लेषण स्थानीय विरूपण को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। खरोज गहराई का एक समारोह के रूप में इसी स्नैपशॉट चित्रा 6 की सम्मिलित करता है, जो गणना की और OVITO द्वारा कल्पना थे के रूप में देखा जा सकता है। खरोज गहराई का एक समारोह के रूप में खरोज बल के परिणामों कठोरता एच (चित्रा 7A), कम मापांक गणना करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं <उप> आर (चित्रा 7b), और लदान कठोरता एस सी 84 monolayer के (8 चित्रा)। परिणामों प्रयोग द्वारा निर्धारित किया है कि के साथ तुलना की जा सकती है और यांत्रिक संपत्ति की भिन्नता व्याख्या करने के लिए देखने का एक और अधिक विस्तार बिंदु प्रदान करता है।

आकृति 1
चित्रा 1: अलग कवरेज के साथ सी 84 एंबेडेड सी सब्सट्रेट एसटीएम स्थलाकृतिक छवियों (40 x 40 एनएम 2) 84 अणुओं सी adsorbed पर दिखा सी की श्रृंखला (111) 2 वी के एक नकारात्मक नमूना पूर्वाग्रह से सतह, UHV-एसटीएम से मापा जाता है। कवरेज के विभिन्न डिग्री के साथ: (क) 0.01 एमएल, (ख) 0.2 मिलीग्राम, (ग) 0.7 मिलीलीटर, और (घ) 0.9 मिलीलीटर।

चित्र 2
चित्रा 2: सी 84 पर इलेक्ट्रॉनिक गुण माप सी सब्सट्रेट एंबेडेड (क) चतुर्थ घटता है और अंतर व्युत्पन्न चालकता (डी / डीवी) बनाम सी 84 का एक भी आत्म इकट्ठे परत की वोल्टेज की अवस्था है, UHV-एसटीएम द्वारा निर्धारित किया जाता है। ; (ख) फील्ड उत्सर्जन वर्तमान घनत्व बनाम बिजली के क्षेत्र की अवस्था; (ग), एम्बेडेड सी 84 के साथ सतह की एफ एन साजिश इसी रूप में एक स्रोत उपाय इकाई का उपयोग करके मापा; (घ) सी 84 के एकल आत्म इकट्ठे परत की Photoluminescence स्पेक्ट्रम। फिर से प्रिंट संदर्भ 12 से अनुमति के साथ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्र तीन: सी 84 पर भूतल चुंबकत्व एंबेडेड सी सब्सट्रेट (एक) सी सब्सट्रेट के एम एफ एम छवि सी 84 के साथ एम्बेडेड। (ख) आकर्षण संस्कार पाश बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के खिलाफ साजिश रची यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4: सी 84 पर Nanomechanical जांच एंबेडेड सी सब्सट्रेट अव्यवस्थित सी सतह की सेना दूरी विश्लेषण, 7 x 7 सतह, एकल आत्म इकट्ठे सी 84 सी सतह के भीतर एम्बेडेड, और सी सतह की परत, के रूप में UHV-AFM का उपयोग निर्धारित किया।। फिर से प्रिंट संदर्भ 11 से अनुमति के साथ। कृपया यहाँ क्लिक करेंयह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

चित्रा 5
चित्रा 5: सिमुलेशन मॉडल की स्थापना के लिए चार्ट प्रवाह नाटकीय एक सी 84 monolayer सी (111) 7 एक्स 7 मॉडल में एम्बेड करने के लिए एक परत सी 84 से एमडी अनुकरण में सेटिंग वर्णन और सी (111) 7 एक्स 7 सतह।। विस्तार प्रक्रियाओं प्रोटोकॉल की धारा 5 में देखा जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6: खरोज बल और संपर्क तनाव विश्लेषण खरोज बल (काला) और खरोज गहराई के एक समारोह के रूप में सी 84 के तनाव (नीला) से संपर्क करें।। आवेषणइसी फोटो, जहां अलग अलग रंग के सभी परमाणुओं की इसी वॉन Mises तनाव (वीएम ε) इंगित करता दिखा। तनाव स्थानीयकरण, केवल ε वीएम साथ परमाणुओं> 0.08 स्नैपशॉट में दिखाया जाता है प्रदर्शन स्पष्ट करने के लिए। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7:।। कठोरता और कम मापांक विश्लेषण (एक) कठोरता और (ख) सी सतह पर सी 84 monolayer के लिए खरोज गहराई के एक समारोह के रूप में कम मापांक भिन्नता यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


8 चित्रा: लोड हो रहा है कठोरता विश्लेषण। कि सी 84 / सी के लिए AFM प्रयोगों द्वारा के साथ तुलना में एमडी सिमुलेशन द्वारा निर्धारित दूरी के एक समारोह के रूप में कठोरता लोड हो रहा है। संदर्भ 16 से संशोधित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

इस अध्ययन में, हम एक उपन्यास annealing प्रक्रिया के माध्यम से एक सी सब्सट्रेट पर सी 84 के एक आत्म इकट्ठे monolayer के निर्माण (चित्रा 1) प्रदर्शित करता है। इस प्रक्रिया को भी nanoparticle एम्बेडेड अर्धचालक substrates के अन्य प्रकार तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। सी 84 -embedded सी सब्सट्रेट परमाणु पैमाने UHV-एसटीएम (चित्रा 2), क्षेत्र उत्सर्जन स्पेक्ट्रोमीटर, फोटो luminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी, एम एफ एम और विद्रूप (चित्रा 3) का उपयोग करने पर होती थी।

आसंजन ताकत सी 84 के nanomechanical गुण (यानी, तनाव) के लिए इसी -embedded सी substrates AFM (चित्रा 4) का उपयोग करके मापा जा सकता है। हमारे परिणाम प्रस्तावित सी 84 की कठोरता -embedded कि सी सब्सट्रेट के हिज्जे गलत और सी सतहों के बराबर है, यह उपकरण के साथ ही एमईएमएस उपकरणों में एक फिल्म को काटने के लिए एक अक्खड़ सामग्री के रूप में लागू कर रही है प्रदर्शित करता है।

jove_content "> सिमुलेशन अनुभाग में, वॉन Mises तनाव वीएम) विश्लेषण परमाणु संरचना है, जो बहुत प्रयोग में मनाया जा करने के लिए मुश्किल है की स्थानीय विकृति का पता लगाने में सक्षम है। हालांकि, यह संभव नहीं है चरण परिवर्तन को चिह्नित करने के लिए है। यहाँ, हम इस तरह के समन्वय संख्या और हा सूचकांक 23 चरण परिवर्तन की जांच करने के रूप में कुछ उपयोगी सूचकांकों सुझाव देते हैं। खरोज मॉडल की स्थापना में, हम बाहर का कहना है कि योजना दिशा में सब्सट्रेट के आकार में कम से कम तीन गुना बड़ा होना चाहिए आकार और प्रभाव सीमा शर्त सीमा है, जो गतिशीलता और परमाणुओं के बल प्रवाह को प्रभावित करती है को नष्ट करने के लिए जांच के व्यास से।

इसके अलावा, एमडी सिमुलेशन की समय सीमा, को खरोज प्रक्रिया का अध्ययन करने के कारण, जांच नमूना एक बहुत तेज गति के साथ लागू करना चाहिए कि प्रयोग में की तुलना में। ध्यान दें कि हम इस तरह के एक लोड करने की गति बहुत अधिक है पर लंबे समय से बाहर आने के लिएomic प्रसार और प्रवास व्यवहार, लेकिन यह अभी भी उपयुक्त निरीक्षण और यांत्रिक लोड हो रहा है 24 के तहत प्लास्टिक विरूपण व्यवहार और सामग्री के गुणों का वर्णन करने के लिए है क्योंकि परिणाम प्रकृति 25 में के रूप में लगभग अर्ध स्थिर पहचाना जा सकता है। एक वैकल्पिक सिद्धांत, नाम समानांतर प्रतिकृति गतिशीलता (पीआरडी) 26, काफी हद तक सिमुलेशन समय में तेजी लाने के लिए विकसित किया गया है, लेकिन यह भारी कंप्यूटिंग संसाधनों की आवश्यकता है।

डेटा एमडी सिमुलेशन अध्ययन से प्राप्त AFM खरोज प्रयोग (चित्रा 8) के साथ समझौते में है; इसके अतिरिक्त, कठोरता और सी 84 के कम मापांक -embedded सी सब्सट्रेट अन्य सी substrates के लिए तुलना कर रहे हैं। ये आंकड़े बताते हैं कि सी 84 सी substrates -embedded Optoelectronic में महत्वपूर्ण प्रभाव है और चुंबकीय अर्धचालक (डीएमएस) nanodevices कमजोर कर सकते हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

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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