C 프로빙
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

Published 9/28/2016
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Engineering

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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

이 논문은 어레이 디자인 C (84)의 Si 기판 - 임베디드은 초고 진공 챔버 내에 제어 된 자기 조립 방법을 이용하여 제조보고한다. 은 C (84)의 특징은, 이러한 원자 해상도 지형 상태 로컬 전자 밀도, 밴드 갭 에너지, 전계 방출 특성, 나노 기계 강성, 표면 자력으로, 실리콘 표면 - 임베디드 울트라 하에서 표면 분석하는 다양한 기술을 이용하여 조사 하였다 높은 진공 (UHV) 조건뿐만 아니라에서 대기 시스템. 실험 결과는 C (84)의 높은 균일 성 실리콘 표면이 제어 된 자기 조립 나노 메커니즘을 사용하여, 절삭 공구, 전계 방출 디스플레이 (FED), 광전자 소자 제조, MEMS의 응용에서 중요한 발전을 나타낸다하여 제조 - 임베디드 및 노력 입증 카바이드 반도체에 적합한 교체를 찾을 수 있습니다. 반 경험적 잠재력을 가진 분자 역학 (MD) 방법은 수 bC (84)의 나노 압입을 연구하는 데 전자는 Si 기판을 - 임베디드. MD 시뮬레이션을 수행하기위한 상세한 설명은 여기에 제공된다. 들여 쓰기의 힘, 탄성 계수, 표면 강도, 원자 스트레스, 원자 변형 등의 MD 시뮬레이션의 기계적 분석에 대한 종합적인 연구를위한 세부 사항이 포함되어 있습니다. 압입 모델의 원자 스트레스 - 폰 미제스 응력 분포는 원자 적 레벨 시간 평가를 변형 메커니즘을 모니터링하도록 계산 될 수있다.

Introduction

풀러렌 분자와 그들의 우수한 구조적 특성, 전기 전도성, 기계적 강도, 화학적 특성 1-4 그들은 나노 물질 중 독특한입니다 구성하는 복합 재료. 이들 재료는 전자, 컴퓨터, 연료 전지 기술은 태양 전지, 및 전계 방출 기술 5,6- 같은 분야의 범위에서 매우 유익 입증되었다.

이들 재료 중에서, 실리콘 카바이드 (SiC) 나노 입자 복합체는 넓은 밴드 갭, 높은 열 전도성과 안정성, 높은 전기 브레이크 능력, 및 화학적 불활성 특히주의 덕분 받았다. 이러한 이점은 광전자 장치에 특히 명백하며, 금속 - 산화물 - 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET), 발광 다이오드 (LED)와 고출력, 고주파, 고온 응용. 그러나, 고밀도 결함은 일반적 conventi 표면 관찰도 그러 탄화 규소 심지어 장치 고장 7,8 선도 전자 구조에 악영향을 가질 수있다. SiC로 애플리케이션이 1960 년부터 연구되어 있다는 사실에도 불구하고, 이러한 특정 미해결 문제가 남아있다.

이 연구의 목적은 C (84)의 제조가 생성 된 물질의 전자 광전자, 기계, 자기, 현장 방출 특성의 포괄적 인 이해를 얻기 위해 Si 기판의 이종 접합 및 후속 분석 - 임베디드이었다. 또한, 분자 역학 계산의 새로운 애플리케이션을 통해, 나노 물질의 특성을 예측하는 수치 시뮬레이션을 이용하여 문제를 해결.

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Protocol

주 :이 논문은 반도체 기판의 표면에 자기 조립 풀러렌 어레이의 형성에 사용되는 방법을 설명합니다. 특히, 높은뿐만 아니라 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS), 고온, 고출력의 광전자 장치 애플리케이션에서 전계 방출 또는 기판으로 사용하는 풀러렌 매립 실리콘 기판의 제조를위한 새로운 방법을 제시 - 주파수 장치 9-13.

1. 제작 육각형은 폐쇄 패키지 (HCP) 오버 C (84)의 실리콘 기판에

  1. 청소시 (111) 기판을 준비
    1. 기판의 표면에서 산화물 층 및 불순물을 제거하기위한 초고 진공에서 가열 한 다음, 용매의 적용을 포함하는 RCA에 따라 Si 기판 세정 (미국 라디오 코퍼레이션) (담체 참조).
      주 : 여기에서, 용어 "UHV-초고 진공 시스템"의미1 × 106 이하의 진공 파 -8의 Si (111)의 제조에 사용된다.
  2. UHV 시스템에 열 증발을 사용하여 실리콘 표면에 예금 C (84)
    1. 불순물의 가스 발생을 촉진하기 위해 500 ℃로 가열 된 필라멘트를 통해 외부 전원 공급 장치에 K 셀 증발기 예열.
    2. K-휴대 용기에 C (84) 나노 입자를 넣습니다. 비저항 650 ℃로 K 개의 셀을 가열한다. 컨테이너에서 C (84) 나노 입자가 증기를 구성으로 C 84 나노 입자를 증발. 나노 입자는 5 × 10-8 이하 파 압력 조절 밸브를 통해 Si 기판을 타격 할 때까지 C를 직선 (84)의 나노 입자를 증발시켰다.
  3. 자기 조립 원리를 통해 실리콘 표면 내에 삽입 C (84) 분자
    1. 900 ° C에서 초 고 진공 시스템에서 프리 어닐링의 Si (111) 기판 (1 × 1)의 구조를 얻었다. depos 30 분 동안 650 ° C의 온도를 감소상기 기판의 표면상의 C 84 나노 ition.
    2. ~ 750 Si 기판 어닐링 ° C는 분말 C-84 나노 입자하는 시간 동안 12 시간에 대한 실리콘 (111) 기판의 표면 상에 매우 균일 한 플러렌 배열로 자기 조립한다.
      주 : 여기에서, 용어 "매우 균일 플러렌 배열"은 나노 입자의 대부분이 기판의 표면에 수직 한 콤팩트 배열로 배향 된 기판 상에 풀러렌의 균일 한 분포를 의미한다. 이 구성은 플러렌 어레이의 수직 높이가 모든 샘플에서 실질적으로 동일한 것을 보장하는 것을 도왔다.

C (84)의 전자 등록 2. 측정시 기판을 - 임베디드

  1. UHV 주사 터널링 현미경을 사용하여 국가의 현지 전자 밀도를 측정한다
    1. UHV-SPM을 이용하여 특정 원자의 IV 곡선을 측정
    2. 장소 C (84)
    3. 원자 해상도의 터널링 전류 I를 측정하는 "IV"측정 항목을 클릭합니다. 측정을위한 C (84) - 임베디드 Si 기판에 적어도 20 특정 위치를 선택합니다. 터널링 전류 I를 통해 20 특정 위치의 평균 값을 계산합니다. 전압의 함수로 I를 유도. 플롯 IV 곡선.
    4. 는 C 지역 (84)의 전자 상태를 결정하기 위해 전압의 함수로 디 / DV의 IV 곡선 변환 V.에 대하여 I (V)의 도함수를 계산 실리콘 기판 - 임베디드.
  2. 밴드 갭 에너지를 측정
    1. 다음에서 2.1.2와 2.1.3의 절차에 따라 IV 곡선을 얻시 (111) -7x7 표면의 Si (111) -1x1면, 한 개인 C시에 84 나노 입자, 7-19 C (84)시에 클러스터, 20 ~ 50 C 84시에 클러스터 및 실리콘 표면에 내장 된 C (84)의 단일 층.
    2. 도 2a에 도시 된 바와 같이, 각 측정 위치 (밴드 갭 에너지 함) HOMO-LUMO 에너지 차이를 측정하는 디 / DV 커브로 IV 곡선 변환 V.에 대하여 I (V)의 도함수를 계산한다.
  3. 전계 방출 (FE) 등록 정보를 얻
    1. 장소 C (84)은 FE 샘플 홀더에 Si 기판을 - 임베디드. FE 분석 챔버에 홀더를 삽입합니다. FE 측정 약 5 × 10-5 Pa의 압력으로 챔버를 대피시킨다.
      주 : C 84 - 임베디드 실리콘 기판이 양극과 0.71 mm 2의 애노드로서 기능 ~의 단면적을 갖는 구리 프로브로서 기능 하였다. 캐소드와 애노드 사이의 거리는 약 590 ㎛,.
    2. 대응을 측정 100 V V. 1100에에서 기판에 직접인가 전압을 증가전류 증폭기 고전압 소스 측정 유닛을 사용하는인가 전압의 함수로서 전계 방출 전류를 보내고.
    3. 도 2b에 도시 된 바와 같이, 일 함수가 ~ 5 eV에 따른 파울러 노드 하임 전계 방출 상관을 계산한다.
    4. 약 4383의 β 값 F (필드) = β (V / d)에 다음과 같이 기하학적 필드 향상 계수 (β)를 얻습니다.
    5. 우리에게 C (84) 4.0 × 106 V / cm가 Si 기판을 - 임베디드 ~의 값을 주었다 (1 / E) 대 자연 로그의 기울기 (J / E 2)에 따라 진공 전기 분해 필드를 구합니다 도 2c에 도시 된 바와 같이.
  4. 광전자 등록
    1. 광 발광 측정 시스템에 테스트 기판을 이송. 샘플 실의 중앙에 위치하는 기판 상에 325 nm의 배기 가스와 함께 그 카드뮴 레이저 소스 초점. 적절한 위치에 분광계를 설정합니다. SPE를 사용ctrometer 수집하고 방출 광자를 분석하여 광 발광 스펙트럼을 획득한다. 광전자 결과는 그림 2D에 표시됩니다.

표면의 자성 3. 측정

  1. MFM (자기 힘 현미경) 지형을 얻습니다.
    1. C (84)의 샘플 MFM 측정하기 전에 약 2 kOe로의 전계 강도를 가진 자석을 적용하여 실리콘을 자화 - 임베디드.
    2. MFM 샘플 무대에서 자화 샘플을 놓습니다. "MFM 지형을 구하는"항목을 클릭합니다. 시료의 표면에 수직 인 자화의인가 리프트 모드 MFM을 사용하여 Si 기판 내에 매립 된 자기 도메인 플러렌의 미세 구조를 관찰한다.
    3. MFM 측정을위한 나노 크기 PPP-MFMR 캔틸레버 (그림 3a)를 사용합니다. 팁의 자기 모멘트가 샘에있을 때 MFM 지형이 어두운 (밝게) 나타나는 경우 표면의 자성을 결정기판 순간의 전자 (반대) 방향.
  2. SQUID (초전도 양자 간섭 장치) 측정
    1. C (84)의 단층이 C (84) 임베디드 Si 기판에 실리콘 기판과 C (84) 클러스터를 - 임베디드 준비합니다.
    2. C (84)의 샘플 자화 매립 Si 기판 SQUID 실험 전에 약 2 kOe로의 전계 강도를 가진 자석을 적용하여 C 84 84 Si 및 C 클러스터 - 임베디드.
    3. SQUID의 샘플을 놓습니다. ~ 2 kOe로의 범위에서 청소 자기장을 적용합니다. 실온에서 SQUID 측정에서 외부 자기장에 대해 그려 자화 루프를 얻었다.
      참고 :도 3b에 도시 된 바와 같이, 강자성 물질에 대한 일반적인 MH 곡선을 얻을 수있다.

AFM에 의한 나노 기계 등록 4. 측정

참고 : 원자 힘 현미경 (AFM)을 제공하는마이크로의 재료 및 기계적 특성 및 공기 나노 스케일의 특성화뿐만 아니라 UHV 환경에서 강력한 도구

  1. C (84) 임베디드 실리콘 기판에서 대기 조건의 강성을 측정
    1. 원자 현미경 샘플 단계에 기판을 놓습니다. 스캐너를 사용하여 기판 위에 날카로운 끝을 드래그합니다. 팁 - 샘플 상호 작용 힘의 척도로서 팁의 변위를 모니터한다. "힘 측정"항목을 클릭하여 특정 위치에서 수직 방향을 따라 많은 팁 - 시료 거리에서 움직임을 기록한다.
    2. 자연 산화막 2-3 나노 층을 갖는 RCA 세정 된 Si 기판으로부터뿐만 아니라, C (84)로부터 대기 조건 하에서 AFM을 이용하여 힘 측정을 구하는 Si 기판 SiC 등의 박막으로 피복 된 실리콘 기판 - 임베디드.
    3. AFM 소프트웨어를 사용하여 대기압 조건 하에서 포스 거리 곡선을 플롯.
      주 : AFM 캔틸레버는 팁 반경을 가진 실리콘 프로브이었다~ 40 N / m의 5 ~ 20 nm의 스프링 정수입니다.
  2. UHV 상공 회의소에서 C (84)의 강성 포함 된 실리콘 기판을 측정
    1. , RCA 세정 된 Si 기판, 깨끗한 실리콘 (111) -7x7 표면으로부터 UHV 시스템에서, AFM을 이용하여 4.1.1의 지침에 따른 C 84 - 임베디드 Si 기판, 기판 코팅 된 Si 기판을 강제 측정 구하는 SiC로 얇은 필름.
    2. UHV 시스템의 힘 - 거리 곡선을 플롯. . 주 : AFM 캔틸레버 중 ~ 5-20 nm의 스프링 정수 ~ 40 N / m의 팁 반경을 가진 실리콘 프로브 4- 도표가 무질서 실리콘 표면의 힘 - 거리 분석을 제시 7 × 7면, 하나의자가 UHV-AFM을 이용하여 측정 된 실리콘 표면 및 Si 표면 내에 내장 C (84)의 조립 층.

MD 시뮬레이션에 의한 나노 기계 등록 5. 측정

참고 : 시뮬레이션 섹션에서 OVITO 16 (오픈 소스 visualizati소프트웨어)와, OSSD 17 (개 방면 구조 데이터베이스) 시뮬레이션 모델 결과의 시각화를 만드는 데 사용된다. LAMMPS 14 (오픈 소스의 분자 동력학 (MD) 시뮬레이션 패키지)는 나노 압입 시뮬레이션을 수행하여 시뮬레이션 결과 15를 분석하는데 사용된다. 모든 시뮬레이션 작업은 고급 대규모 병렬 초 은하단 NCHC의 (ALPS)에서 병렬 컴퓨팅으로 수행된다.
주 : MD 시뮬레이션을 사용하여 84 C 단일 층 / Si 기판에 헤테로 접합을 연구하기 위해, 하나의 Si 기판에 삽입 편안 C 84 단층을 얻기 위해 여러 단계에 의한 시뮬레이션 모델을 준비한다. 이 때문에 C 단층 (84) 및 Si (111) 기판 헤테로 사이의 층간 구조의 복합체, 실험 데이터로부터 정확히 동일한 구조를 생성하기 어렵다는 것을주의. 그 결과,이 방법의 여러 단계를 시뮬레이션 모델을 생성하는 인위적인 방법을 사용하여,이는도 5에 도시되어있다. 상세는 다음 프로토콜에 설명되어있다. 우리는 LAMMPS에서 MD의 매개 변수가 기판에 내장 편안 C 84 풀러렌 단층을 설정 압입 절차를 수행하고 시뮬레이션 결과를 분석하는 방법을 설정에 대해 설명합니다.

  1. LAMMPS 입력 파일에서 파라미터 설정
    1. x 축에서주기적인 경계 조건과 Y 방향을 설정하는 경계 명령을 사용하십시오.
    2. 무작위로, 시스템의 각 원자에 가우스 분포와 초기 속도를 지정하는 "수정 속도"명령을 사용하십시오.
    3. 각각의 Si-Si 및시-C의 상호 작용과 CC 상호 작용을 설명하는 데 테르 소프 (18)와 AIREBO 19 잠재력을 지정 명령 "pair_style 해결"를 사용합니다.
    4. 시스템이 유전자에 원하는 온도와 압력 유지하기 위해 코 - 후버 방법 (20)을 채택 명령 "NPT를 수정" "수정 NVT"를 사용하고속도 - Verlet 알고리즘 (20)은 원자의 궤적을 예측하기 위해 사용되는 시스템에서의 정규의 등온 등압 앙상블-20를 평가. "수정 NVT"과 "실행"을 모두 사용하는 열처리 공정에 대한 3 K / PSEC의 냉각 속도를 설정하는 명령.
    5. 시간 통합 0.2 FSEC의 시간 간격을 설정하려면 "시간 단계"명령을 사용하십시오.
    6. 자유 (5.3.2)의 정도를 한정하는 반사 벽을 채택 명령 "벽 / 반영 해결"를 사용합니다.
    7. 다른 제어 층에 기판 (5.4.3) 분할 "영역"과 "그룹"을 사용하여 뉴턴의 원자 층, 열 제어 층 및 "수정 NVE"를 사용하여 설정할 수 있습니다 바닥 고정 층을 " NVT 해결 "및"각각 setforce "명령을 수정합니다.
    8. 구형 프로브를 생성하는 "지역"과 "create_atoms을"명령을 사용합니다.
    9. 기판 (5.4에 C84 단일 층을 포함하는 "수정 이동"명령을 사용하십시오.2) 시뮬레이션 (5.5.2) 동안 프로브를 이동합니다.
    10. MD 시뮬레이션을 수행하기 위해 "실행"명령을 사용하십시오.
    11. "컴퓨팅의 힘"(5.6.1) 및 "컴퓨팅 스트레스 / 원자"(5.6.4)를 사용하면 원자 스트레스와 들여 쓰기 힘을 평가하는 명령.
      주 : 이하, 구조 확립을 제외하고, 모든 단계가 LAMMPS 스크립트에 의해 수행되었다.
  2. 실리콘 (111) 7 × 7 표면의 제조에 OSSD과 OVITO를 사용합니다.
    1. OSSD 소프트웨어를 켭니다. "검색"버튼을 클릭합니다. "검색 기준"패널이 표시됩니다. Si 기판, 원소 종류, 재구성 된 구조, 반도체 ELEC, 다이아몬드 격자, (111)면과 7 × 7 패턴을 선택했다. "적용" "검색"버튼을 클릭합니다. "구조 목록"패널이 표시됩니다. (즉,시 365 (111) 7) 원하는 구조를 클릭합니다. "파일"버튼을 클릭합니다. .xyz 인 파일로 조정 파일을 저장합니다.
      참고 : 우리는 구조적인 지적OSSD에서 추출 된 데이터베이스는 우리의 들여 쓰기 시뮬레이션을위한 충분하지 않습니다. 결과적으로, 다음 단계가 크고 두꺼운 기판 재.
    2. OVITO 소프트웨어를 켭니다. OVITO에 .xyz 인 파일을로드합니다. 는 SI의 슈퍼 셀 (111) x와 y 방향 26.878 X 46.554 Å 2의 크기 7 × 7 표면을 캡처하는 "조각"명령을 사용하십시오. 데이터 파일을 내 보냅니다. 26.878 X 46.554 X 9.7의 크기 Å 3 하단의 Si (111) 기판의 슈퍼 셀을 캡처 "슬라이스"명령을 사용하십시오. z 방향의 슈퍼 셀 12 번 복제은 "주기적인 이미지"명령을 사용하십시오. 데이터 파일을 내 보냅니다.
    3. 실리콘의 데이터 파일을 결합 (111) 7 × 7 표면 메모장에 의해 실리콘 (111) 기판 ++ 모델 (무료 소스 코드 에디터). 마지막으로, OVITO에 결합 된 데이터를로드합니다. 기판의 크기를 확대 x와 y 방향으로 5 × 3 슈퍼 셀을 복제은 "주기적인 이미지"를 사용합니다.
    4. 20 PSEC을 수행 할 수 LAMMPS를 사용하여시뮬레이션 모델을 휴식을위한 MD 시뮬레이션 시간. 이하, 500 PSEC 시뮬레이션 시간 동안 실온까지 1550 K에서 담금질 처리를 행한다. 마지막으로, 최종 이완 공정 10 PSEC 시뮬레이션 시간을 수행한다.
  3. C 84 풀러렌 단일 플라이의 제조
    1. (21)로부터 C 84 풀러렌의 최적화 된 구조의 조정 파일을 다운로드 벌집 구조로 배열 된 49 C 84 풀러렌을 복제 할 FORTRAN 프로그램을 작성.
    2. 설정에 LAMMPS를 사용하여이 분자가 계획에 머물 수 있도록시와 C (84) 단층 아래에 벽을 반영합니다. 200 PSEC 시뮬레이션 모델을 완화하기위한 MD 시뮬레이션 시간을 수행한다. 이하, 500 PSEC 시뮬레이션 시간 동안 글롭 최소 상태를 얻기 위해 실온 700 K에서 담금질 처리를 행한다. 마지막으로, 최종 휴식 프로세스에 대한 10 PSEC 시뮬레이션 시간을 수행합니다.
  4. Indenta 수립실리콘에 C 84 플러렌 단층의 기 모델 (111) 7 × 7 표면입니다.
    1. 들여 쓰기 모델을 수립하기 위해 3 Å의 거리 (111) 7 × 7 표면시에 C (84) 단일 층을 마련하기 위해 FORTRAN 코드를 작성합니다.
    2. 2 ~ 3 Å의 깊이와 기판에 C (84) 단일 층을 포함 할 LAMMPS를 사용합니다. 이하, 시스템 휴식 40 PSEC 시뮬레이션 실행 시간. 최종적으로 실온으로 시스템을 어닐링.
    3. 0.7, 2, 5.3 nm의 두께를되는 상부 뉴턴 원자 층, 열 제어 층 및 하부 고정 층으로 실리콘 기판을 나눈다. 는 C (84) 단일 층은 또한 뉴턴 원자로 모델링 하였다.
  5. MD의 들여 쓰기 프로세스
    1. 는 C (84) /시 (111) 7 × 7 표면 모드에 따라 직경이가 5nm (그림 5)와 구형 프로브를 만들 LAMMPS를 사용합니다. 프로브는 강체로 설정된다. 홍보에서 10m / sec의 일정한 속도를 지정압입 공정에서 시료를 향해 하방으로 이동하도록 탑재.
    2. 는 C 84 풀러렌 단층의 효과를 조사하기 위해 1.5의 경우, 2.5, 4.5, 10, 15, 20을 포함하여, 즉 (특정 로딩 깊이까지 일정 속도로 시료를 하향 프로브를 이동 30 로딩 프로세스 C 84 플러렌의 크기는, Si 기판, 11)에. 원자의 완화를 허용하도록 상기 유지 공정에서, 기판에 프로브를 잡아. 마지막으로, 수축 공정에 일정한 속도로 기판으로부터의 프로브를 추출한다.
  6. 계산 및 분석
    1. 다음 식에 따라 프로브 원자의 수직력을 합산하여 압입 힘을 계산한다 :
      방정식 (1)
    2. 들여 쓰기의 힘 - 거리 곡선의 감소 계수 및 강성을 추출 하였다. 올리버와 Pharr에 & # 바탕으로39]의 방법 (22), 선형 관계는 영률 및 하적 강성 사이에 유도 될 수있다. 강성 (즉, 초기의 경사 부) 하역 곡선으로 정의되고
      방정식 (2)
      P, H, A, 및 E의 r은 압입 하중, 프로브의 탄성 변위, 들여 쓰기의 투영 면적, 감소 계수 곳. β는 (= 1 원형 압자 용) 형상 변형 계수이다. 감소 계수와 영률 간의 관계는 다음과 같이 쓸 수있다
      방정식 (삼)
      E V는 영률 및 시료 EI에 대한 포아송 비이고 여기서 V 영률 및 압입 용 포아송 비이다.
    3. H의 정의에 의해 경도를 계산은 P의 엄마 =P 최대 A는 최대 압입 힘과 프로브의 투영 면적입니다 X / A.
    4. n 개의 Y 방향에서 기판의 m의 비행기에 비 리얼 원자 스트레스 (22)를 계산
      방정식 (4)
      여기서 m의 I 원자의 질량이고; 방정식방정식 속도는 M의 원자의 I 구성 요소 - 각각 N -directions는, V I 원자의 주위에 할당 된 볼륨, N (S)는 S 원자의 상호 작용 영역으로 정의 영역 S 내에 포함 된 미립자의 개수 , R의 IJ I 원자 사이의 거리이며, Φ (r에 IJ)의 전위 함수이다 방정식 그리고 난 J를 원자에 원자 벡터의 N - 방향 부품 - 제 m이다.
    5. 다음 식에 따라 각 원자의 불변의 폰 - 미제스의 피로를 보여 OVITO를 사용하여
      방정식 (5)

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Representative Results

. 무질서의 Si (111) 표면에 C 84 분자의 단일 층 1 그림 A UHV 챔버에서 제어 된 자기 조립 공정을 이용하여 제조 따르면 다양한 정도에 UHV-STM 측정 지형 일련의 이미지를 도시 하였다 : (a) 0.01 ㎖, (b) 0.2 ㎖, (c) 0.7 ㎖, 및 (d) 0.9 ML. 84은 C 매립 Si 기판의 전기 광학적 특성은 또한 STM 및 PL (도 2) 등의 표면 분석 기술의 다양한 사용하여 조사 하였다. 결과 샘플의 우수한 재료 특성은 나노 기술이 atomic- 및 나노 스케일에서 물질의 제어에 사용할 수있는 방법을 보여줍니다. 그림 3의 MFM과 SQUID 결과 C (84) 임베디드 기판의 표면에 자성을 보여줍니다. 4는 제안 된 기판의 나노 기계을 참조 UHV-AFM 결과를 보여줍니다. 우리의 실험 결과는 C (84)의 가능성을 보여 (도 4) 자기 및 MEMS 디바이스.

시뮬레이션 부에서 모든 절차는 MD 시뮬레이션을 수행 LAMMPS을 사용하여 완성된다. 플러렌 내장 기판의 기계적 특성 (압입 힘과 접촉 응력)이 계산되고도 6에 도시되어있다. 상이한 시간 간격에서 원자의 폰 - 미제스 응력 해석 로컬 변형을 특성화하는 데 사용된다. 압입 깊이의 함수로서 대응하는 스냅 샷 계산 OVITO 시각화 된도 6의 인서트에서 볼 수있다. 압입 깊이의 함수로서 압입 힘의 결과 경도 H (도 7a), 감소 계수 E를 계산하기 위해 사용되는 <서브> R (도 7b), 및로드 강성 S는 C (84) 단층의 (그림 8). 결과는 실험에 의해 결정하는 비교 및 ​​기계적 특성의 변화를 해석하는보기의 더 상세한 점을 제공 할 수있다.

그림 1
그림 1 : 다른 범위와 C (84) 임베디드 Si 기판 STM 지형 이미지 (40 × 40 nm의 2) C에게시에 흡착 (84) 분자를 보여주는 시리즈 2 V의 음성 시료 바이어스에서 (111)면, UHV-STM에 의해 측정. 따르면 다양한 수준으로 : (a) 0.01 ㎖, (b) 0.2 ㎖, (c) 0.7 ㎖, 및 (d) 0.9 ML.

그림 2/>도 2 : C 84 전자적 특성 측정은 Si 기판을 내장 (a) C (84)의 하나의 자기 조립 층의 전압 곡선 대 IV 곡선 및 차동 유도체 컨덕턴스 (디 / DV), UHV-STM에 의해 측정. ; (b) 전계 곡선 대 전계 방출 전류 밀도; 소스 - 측정 기기를 사용하여 측정 한 임베디드 C (84) 표면의 FN 플롯 대응 (c); C (84)의 하나의 자기 조립 층의 (d)는 광 발광 스펙트럼. 다시 인쇄 참조 (12)로부터 권한. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3 : C (84)의 표면 자기 임베디드 Si 기판 (A) C (84)에 내장 된 실리콘 기판의 MFM 이미지입니다.; (b)는 자화 루프가 외부 자기장에 그려진 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
그림 4 : UHV-AFM을 사용하여 결정 C (84)에 나노 기계의 조사가 포함 된 Si 기판 무질서 실리콘 표면의 힘 - 거리 분석, 7 × 7 표면, 실리콘 표면에 내장 된 C (84), 및 Si 표면의 하나의 자기 조립 층,.. 다시 인쇄 참조 (11)의 허가. 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 5
그림 5 : 시뮬레이션 모델을 설정하기위한 차트 흐름 극적인는시 (111) 7 × 7 모델에 포함는 C (84) 단층 단일 층 C (84)에서 MD 시뮬레이션의 설정을 설명 및 Si (111) 7 × 7면.. 세부 절차는 프로토콜의 섹션 5에서 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
그림 6 : 들여 쓰기의 힘과 연락 스트레스 분석 들여 쓰기 힘 (검은 색)과 압입 깊이의 함수로 C (84)의 스트레스 (파란색)에 문의하십시오.. 삽입서로 다른 색상의 모든 원자의 VM (ε) 해당 폰 미제스의 변형을 나타내는 해당 스냅 샷을 보여줍니다. 변형 현지화, ε VM 만 원자> 0.08 스냅 샷에 표시됩니다를 표시 지우려면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7
그림 7 :.. 경도 감소 계수 분석 (A) 경도 및 Si 표면에 C (84) 단층에 대한 압입 깊이의 함수로 (b)는 감소 계수 변동 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


그림 8 :로드 강성 분석. C 84 / SI 용 AFM 실험에 의한 비교 MD 시뮬레이션에 의해 결정된 거리의 함수로서 강성로드. 참조 (16)에서 수정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

본 연구에서는 (도 1) 신규 어닐링 공정을 통해 실리콘 기판 상에 C (84)의 자기 조립 단분자막의 제조를 보여준다. 이 프로세스는 나노 매립 반도체 기판의 다른 종류를 제조 할 수있다. 은 C (84)는 Si 기판은 UHV-STM (도 2), 전계 방출 분광기, 광 발광 스펙트럼, MFM 및 SQUID (도 3)을 이용하여 원자 수준에서 분석되었다 - 임베디드.

은 C (84)의 나노 기계 특성 (즉, 스트레스)에 상응하는 접착 강도는 실리콘 기판을 AFM (도 4)를 사용하여 측정 할 수있다 - 임베디드. 우리의 결과는 제안 된 C (84)의 경도는 Si 기판 도구뿐만 아니라, MEMS 디바이스에서 필름을 절단하는 연마재대로 적용 제작의 SiC 및 Si 표면의 것과 비교할 - 임베디드 것을 보여준다.

jove_content "> 시뮬레이션 섹션의 폰 미제스 응력 VM) 분석 실험에서 관찰하는 것은 매우 어렵다 원자 구조의 국부 변형을 검출 할 수있다. 그러나, 상 변화를 특성화 할 수 없다. 여기서, 우리는 배위 수와 위상 변화를 조사 HA 인덱스 (23)로서 유용한 지표를 제시한다. 압입 모델의 설정에서는,이 평면 방향으로 기판의 크기는 적어도 세 배 더 커야 지적해야 사이즈 효과 역학 및 원자 힘의 흐름에 영향을주는 경계 조건의 제한을 제거하기위한 탐침의 직경보다.

또한, MD 시뮬레이션 시간 제한에 압입 공정을 연구하기 때문에, 프로브 실험에 비해 매우 빠른 속도로 시험편을 발휘한다. 우리는 로딩 속도에서 오랜 시간을 와서 너무 높은 점에 유의그 결과는 자연 (25)과 거의 준 정적 인식 할 수 있기 때문에, 오믹 확산 및 이동 동작하지만 관찰 기계적 하중 (24) 하에서 소성 변형 거동 및 재료 특성을 기술하는 것이 여전히 바람직하다. 대안 이론라는 병렬 복제본 역학 (PRD) (26)는 실질적으로 시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 개발되었지만, 무거운 컴퓨팅 자원을 필요로한다.

은 MD 시뮬레이션 연구에서 얻은 데이터는 AFM 들여 쓰기 실험 (그림 8)과 일치한다; 또한, C (84)의 경도 감소 계수는 Si 기판이 다른 실리콘 기판에 필적 - 임베디드. 이러한 데이터는 C (84) 광전자에 상당한 영향을 미칠 및 자기 반도체 (DMS) 나노 희석 수의 Si 기판 - 임베디드 것이 좋습니다.

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Disclosures

저자는 공개 아무것도 없어.

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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