probing C
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

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Dit artikel meldt een array ontworpen C 84 -Embedded Si-substraat vervaardigd met behulp van een gecontroleerde zelf-assemblage methode in een ultra-high vacuümkamer. De kenmerken van de C 84 -Embedded Si oppervlak zoals atomaire resolutie topografie, lokale elektronische toestandsdichtheid, bandafstandsenergie, veldemissie eigenschappen nanomechanical stijfheid en oppervlaktemagnetisatie werden onderzocht met een verscheidenheid aan technieken waaronder oppervlak ultra, hoog vacuüm (UHV) omstandigheden en een atmosferisch systeem. Experimentele resultaten tonen de hoge uniformiteit van de C 84 -Embedded Si oppervlak vervaardigd met behulp van een gecontroleerde zelfassemblage nanotechnologie mechanisme vertegenwoordigt een belangrijke ontwikkeling in de toepassing veldemissie display (FED), opto-electronische inrichting fabricage, MEMS snijgereedschap, en inspanningen een geschikte vervanger voor carbide halfgeleiders vinden. Moleculaire dynamica (MD) methode met semi-empirische potentieel kan be gebruikt om de nanoindentation C 84 bestuderen -Embedded Si-substraat. Een gedetailleerde beschrijving van het uitvoeren MD simulatie wordt hier gepresenteerd. Details voor een uitgebreide studie op de mechanische analyse van de MD simulatie zoals inspringen kracht, Young's modulus, oppervlak stijfheid, atomaire stress, en atomaire stam zijn inbegrepen. De atomaire stress en von Mises-vervormingen van het inspringen model kan worden berekend tegen vervorming mechanisme met de tijd de evaluatie in atomistisch willen volgen.

Introduction

Fullereen moleculen en composietmaterialen omvatten ze onderscheiden zich onder nanomaterialen vanwege hun uitstekende structurele kenmerken, elektronische geleidbaarheid, mechanische sterkte en chemische eigenschappen 1-4. Deze materialen hebben bewezen zeer nuttig in een aantal gebieden, zoals elektronica, computers, brandstofceltechnologie, zonnecellen, en in het veld emissietechnologie 5,6.

Onder deze materialen, hebben siliciumcarbide (SiC) nanodeeltjes composieten bijzondere aandacht dankzij gekregen om hun brede band gap, een hoge thermische geleidbaarheid en stabiliteit, een hoge elektrische storing vermogen en chemische inertie. Deze voordelen zijn bijzonder duidelijk in opto-elektronische apparaten, metaal-oxide-halfgeleider-veldeffecttransistoren (MOSFET), light-emitting diodes (LEDs), en krachtige, hoge frequentie, en hoge-temperatuurtoepassingen. Echter, hoge dichtheid defecten vaak waargenomen op het oppervlak van Conventional siliciumcarbide kan nadelige gevolgen hebben voor de elektronische structuur, zelfs leiden tot het apparaat mislukking 7,8. Ondanks het feit dat de toepassing van SiC is onderzocht sinds 1960, dit probleem blijft onopgelost.

Het doel van deze studie was het vervaardigen van een C 84 -Embedded Si-substraat heterojunctie en daaropvolgende analyse om een beter begrip van de elektronische, opto-elektronische, mechanische, magnetische en veld emissie-eigenschappen van het verkregen materiaal te verkrijgen. Ook de kwestie van het gebruik van numerieke simulatie van de kenmerken van nanomaterialen voorspellen door de nieuwe toepassing van moleculaire dynamica berekeningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Het document worden de bij de vorming van een zelf-geassembleerde fullereen array op het oppervlak van een halfgeleidende substraat methoden. Specifiek presenteren we een nieuwe werkwijze voor de bereiding van een fullereen ingebedde siliciumsubstraat voor gebruik als een veldemitter of substraat in micro-elektromechanisch systeem (MEMS), en opto-elektronische inrichtingen in hoge-temperatuur, hoge-energie, applicaties en in hoge -frequentie apparaten 9-13.

1. Fabricage van Hexagonal-closed-verpakte (HCP) Overlayer van C 84 op Si Substrate

  1. Bereid Clean Si (111) Substrate
    1. Betreft Si substraat RCA (Radio Corporation of America) reinigen, waarbij de toepassing van een oplosmiddel, gevolgd door verhitting in een ultrahoog vacuümsysteem voor het verwijderen van de oxidelaag en onzuiverheden van het oppervlak van het substraat (zie dragermateriaal).
      OPMERKING: met de term "UHV-ultrahoog vacuümsysteem" verwijsteen vacuüm dan 1 x 10 Pa -8 gebruikt bij de bereiding van een Si (111).
  2. Borg C 84 on Silicon Surface door middel van thermische Verdamping in een UHV System
    1. Verwarm een ​​K-cel verdamper met externe voeding via elektrische weerstandsdraden tot 500 ° C om de ontgassing van onzuiverheden bevorderen.
    2. Laad C 84 nanodeeltjes in een K-cel container. Ohms verwarmen K-cel tot 650 ° C. Verdampen C 84 nanodeeltjes als C 84 nanodeeltjes in de container samen te dampen. Damp C 84 nanodeeltjes in een rechte lijn tot nanodeeltjes staking een Si-substraat door middel van een gecontroleerde klep aan druk van minder dan 5 x 10 -8 Pa.
  3. Integreer C 84 moleculen in Si Surface via Self-assembly Mechanism
    1. Pre-gloeien Si (111) substraat in een ultrahoog vacuümsysteem bij 900 ° C (1x1) structuren te verkrijgen. Verlaag de temperatuur tot 650 ° C gedurende 30 min voor DEPOSvulle van de C 84 nanodeeltjes op het oppervlak van het substraat.
    2. Gloeien het Si-substraat 750 ~ ° C gedurende 12 uur, gedurende welke tijd de poeder-C 84 nanodeeltjes zelfassemblage tot een zeer gelijkmatige fullereen array op het oppervlak van het Si (111) substraat.
      OPMERKING: Hierin heeft de term "zeer gelijkmatige fullereen matrix" naar een uniforme verdeling van fullereen op het substraat, waarin de meeste van de nanodeeltjes zijn georiënteerd in een compacte opstelling loodrecht op het oppervlak van het substraat. Deze configuratie bijgedragen dat de verticale hoogte van het fullereen matrix in wezen identiek in alle monsters.

2. Metingen van elektronische eigenschappen van C 84 -Embedded Si Substrate

  1. Meet Local elektronische toestandsdichtheid gebruik van UHV-scanning tunneling microscopie
    1. Meet IV curven van specifieke atomen met behulp van UHV-SPM
    2. Plaats C 84
    3. Klik op "IV" meting item om de tunneling stroom I op atomaire resolutie te meten. Minstens 20 bepaalde locaties op de C 84 -Embedded Si substraat voor metingen. Bereken de gemiddelde waarde van tunneling stroom meer dan 20 bijzondere locaties. Leid I als een functie van spanning. Plot IV curves.
    4. Bereken de afgeleide van I (V) ten opzichte van V. Zet de IV buigt dI / dV als een functie van de spanning om de lokale elektronentoestand van de C 84 bepalen -Embedded Si-substraat.
  2. Meet bandafstandsenergie
    1. Verkrijgen IV curves volgens de procedures in 2.1.2 en 2.1.3 uit de volgende opties: Si (111) -7x7 oppervlak, Si (111) -1x1 oppervlak, enkel individu C 84 nanodeeltjes op Si, 7-19 C 84clusters op Si, C 20-50 84 clusters op Si en een monolaag van C 84 ingebed in Si oppervlak.
    2. Bereken de afgeleide van I (V) ten opzichte van V. Zet de IV buigt dI / dV buigt de HOMO-LUMO energie kunnen meten (aangeduid bandafstandsenergie) in elk meetpunt, zie figuur 2a.
  3. Verkrijgen Field Emission (FE) Properties
    1. Plaats C 84 -Embedded Si-substraat op een FE monsterhouder. Steek de houder in FE analyse kamer. Evacueren van de kamer tot een druk van ongeveer 5 x 10 -5 Pa FE meting.
      OPMERKING: De C 84 -Embedded siliciumsubstraat fungeerde als kathode en een koperen probe met een doorsnede van 0,71 mm ~ 2 fungeerde als anode. De afstand tussen de kathode en anode was ongeveer 590 urn.
    2. Verhoog de aangelegde spanning handmatig op substraat van 100 V tot 1100 V. Meet de overeenfield emissiestroom als functie van de aangelegde spanning met een hoogspanningsbron meeteenheid met stroomversterker.
    3. Bereken het Fowler-Nordheim veldemissie correlatie volgens de werkfunctie ~ 5 eV zie figuur 2b.
    4. Verkrijgen van het geometrische gebied versterkingsfactor (β) als volgt: F (veld) = β (V / d) met een waarde van β ongeveer 4383.
    5. Verkrijgen van het elektrische doorslagveld onder vacuüm basis van de helling van de natuurlijke logaritme (J / E 2) versus (1 / E), waarbij we een waarde van ~ 4,0 x 10 6 V / cm voor de C 84 -Embedded Si-substraat gaf zoals getoond in figuur 2c.
  4. opto-elektronische Properties
    1. Transfer testen substraat een optische emissie meetsysteem. Focus een He-Cd laser lichtbron met 325 nm emissie voor het substraat dat zich in het centrum van het monstercompartiment. Stel een spectrometer op een geschikte plaats. Gebruik een spectrometer het fotoluminescentiespectrum verwerven verzamelen en analyseren fotonen. De opto-elektronische resultaat wordt getoond in figuur 2d.

3. Metingen van Surface Magnetism

  1. Verkrijgen MFM (Magnetic Force Microscopy) Topografie.
    1. Magnetiseren monsters C 84 -Embedded Si vóór MFM metingen door een magneet met een veldsterkte van ongeveer 2 kOe.
    2. Leg het gemagnetiseerd sample op MFM monster podium. Klik op "verkrijgen MFM topografie" punt. Let op de microstructuur van de fullereen in het magnetische domein ingebed in het Si-substraat met behulp MFM in lift mode met de toepassing van magnetisatie loodrecht op het oppervlak van het monster.
    3. Gebruik een nano-schaal PPP-MFMR cantilever voor MFM metingen (figuur 3a). Bepaal het oppervlak magnetisme als MFM topografie donkerder (helderder), wanneer het magnetisch moment van de tip is in de same (tegenover) richting van het substraat ogenblik.
  2. SQUID (Supergeleidende Quantum Interference Device) Meting
    1. Bereid monolaag van C 84 -Embedded Si-substraat en C 84 clusters op C 84 ingebedde Si substraat.
    2. Magnetiseren monsters C 84 -Embedded Si en C 84 C 84 clusters ingebed Si-substraat vóór squid experimenten door een magneet met een veldsterkte van ongeveer 2 kOe.
    3. Plaats het monster in een inktvis. Breng een ingrijpende magnetisch veld in een bereik van ~ 2 kOe. Verkrijgen van de magnetisatie lussen uitgezet tegen het externe magneetveld in SQUID metingen bij kamertemperatuur.
      OPMERKING: De typische MH curve voor een ferromagnetisch materiaal kan worden verkregen zoals getoond in figuur 3b.

4. Meting van de Nanomechanical Properties door AFM

LET OP: Atomic Force Microscopy (AFM) heeft eenkrachtig hulpmiddel voor het karakteriseren van materialen en mechanische eigenschappen op micro- en nano-schaal in lucht en in een UHV omgeving

  1. Meet de stijfheid van de C 84 Embedded Si substraat onder atmosferische condities
    1. Plaats het substraat op een AFM monstertafel. Sleep een scherpe punt op de substraten met behulp van een scanner. Bewaken van de verplaatsingen van de tip als een maat tip-sample interactiekrachten. Noteer de bewegingen op vele tip-sample afstanden langs verticale richting in een bepaalde positie door te klikken op "krachtmeting" punt.
    2. Verkrijgen krachtmetingen met een AFM onder atmosferische omstandigheden van een RCA gereinigd Si-substraat met 2-3 nm laag van natuurlijke oxide en een C 84 -Embedded Si-substraat en een Si-substraat bekleed met een dunne film van SiC.
    3. Met behulp van AFM software, plot Force-afstand curves onder atmosferische omstandigheden.
      LET OP: De AFM cantilever was een Si-sonde met een straal topje van~ 5-20 nm en veerconstante van ~ 40 N / m.
  2. Meet de stijfheid van de C 84 Embedded Si substraat in UHV Chamber
    1. Verkrijgen krachtmetingen volgens de richtlijnen van 4.1.1 behulp van een AFM een UHV systeem met een RCA-gereinigde Si-substraat, een schone Si (111) oppervlak -7x7, een C 84 -Embedded Si-substraat, substraat en een Si-substraat gecoat met een dunne film van SiC.
    2. Plot Force-afstand curves in een UHV systeem. Let op:. De AFM cantilever was een Si-sonde met een straal punt van ~ 5-20 nm en veerconstante van ~ 40 N / m Figuur 4 toont de kracht-afstand analyse van wanordelijke Si oppervlak, 7 x 7 oppervlak, enkele self- samengestelde laag C 84 ingebed binnen oppervlak Si en Si oppervlak, zoals bepaald met UHV-AFM.

5. Meting van Nanomechanical Properties door MD Simulation

LET OP: In de simulatie sectie OVITO 16 (open-source visualizatiop software) en OSSD 17 (open oppervlaktestructuur database) worden gebruikt om het simulatiemodel en resultaten visualisatie. LAMMPS 14 (een open-source moleculaire dynamica (MD) simulatie pakket) wordt gebruikt om de nanoindentation simulatie uitvoeren en analyseren van de simulatie resultaten 15. Alle simulatie banen het worden uitgevoerd met parallel computing in de Advanced Grootschalige Parallel Supercluster (ALPS) van NCHC.
OPMERKING: Om de C 84 monolaag / Si-substraat heterojunctie te bestuderen met behulp van MD-simulatie, moet men een simulatiemodel door een aantal stappen voor te bereiden op een ontspannen C 84 monolaag ingebed in het Si-substraat te verkrijgen. Merk op dat het moeilijk is om een exact dezelfde structuur van de experimentele data genereren, door de complexe structuur van de inter tussen 84 C monolaag en Si (111) substraat heterojunctie. Daardoor gebruiken we kunstmatige wijze het simulatiemodel genereren met verschillende stappen van de procedure,wordt geïllustreerd in figuur 5. De gegevens worden in de volgende protocollen. We beschrijven hoe het instellen van de parameter van MD in LAMMPS, de oprichting van een ontspannen C 84 fullereen monolaag ingebed in een substraat, het uitvoeren van een inkeping procedure, en analyseren van de simulatie resultaten.

  1. Parametrering in LAMMPS ingang File
    1. Gebruik grens commando om de periodieke randvoorwaarden in de x- en y-richting ligt.
    2. Gebruik commando "fix velocity" naar beginsnelheid wijzen met een Gaussiaanse distributie op elk atoom van het systeem willekeurig.
    3. Gebruik "fix pair_style" commando om Tersoff 18 en 19 AIREBO mogelijkheden toe te wijzen aan de Si-Si en Si-C interactie en de CC interactie te beschrijven, respectievelijk.
    4. Gebruik "fix nvt" en "fix NPT" opdracht om de methode neus-Hoover 20 vast te stellen om ervoor te zorgen het systeem op de gewenste temperatuur en de druk om gen blijftwaardeert een canoniek en isotherme-isobaar ensemble 20, in welk systeem de snelheid-Verlet algoritme 20 wordt gebruikt om de banen van de atomen te voorspellen. Gebruik beide "fix nvt" en "run" commando's om een ​​koelsnelheid van 3 K / psec voor gloeien proces in te stellen.
    5. Gebruik de opdracht "tijdstap" naar een tijd stap van 0,2 FSEC als de tijd integratie in te stellen.
    6. Gebruik "fix / wall weerspiegelen" commando om een ​​gereflecteerd muur vast te stellen om de mate van vrijheid (5.3.2) te beperken.
    7. Met "regio" en "groep" naar het substraat in verschillende controlelagen (5.4.3) verdelen: Newtoniaanse atoom laag, een thermische besturingslaag en een onderste vaste laag, die kan worden ingesteld met de "fix nve", " fix nvt "en" fix setforce "commando's, respectievelijk.
    8. Gebruik "regio" en "create_atoms" commando om een ​​sferische sonde te creëren.
    9. Gebruik de opdracht "fix move" om de C84 monolaag te bedden in het substraat (5.4.2) en beweeg de sonde tijdens de simulatie (5.5.2).
    10. Gebruik de opdracht "run" om MD simulaties uit te voeren.
    11. Gebruik "compute kracht" (5.6.1) en "compute spanning / atom" (5.6.4) commando's naar de atomaire stress en inspringen kracht te evalueren.
      Opmerking: In de volgende, met uitzondering van de structuur vaststelling, alle stappen werden uitgevoerd door LAMMPS script.
  2. Gebruik OSSD en OVITO om Bereiding van silicium (111) 7 x 7 Surface.
    1. Schakel de OSSD software. Klik op de "zoeken" knop. "Zoekcriteria" paneel wordt gepresenteerd. Koos Si-substraat, elementair type, de gereconstrueerde structuur, halfgeleider elec, diamant rooster, 111 gezicht en 7 x 7 patroon. Klik op de "Search" en "Accepteren" knoppen. "Structuur lijst" paneel wordt gepresenteerd. Op de gewenste structuur (dat wil zeggen Si (111) 7 x 7). Klik op de "File" knop. Sla het bestand op als coördinatie .xyz bestand.
      OPMERKING: Wij wijzen erop dat de structureledatabank geëxtraheerd uit OSSD is niet groot genoeg voor onze inspringen simulatie. Hierdoor bouwen we een grotere en dikkere substraat door de volgende stappen.
    2. Schakel de OVITO software. Laad het .xyz bestand in OVITO. Gebruik de opdracht "Slice" naar een supercel van de Si (111) 7 x 7 oppervlak met een afmeting van 26,878 x 46,554 Å 2 in x- en y-richting vast te leggen. Exporteer het gegevensbestand. Gebruik de opdracht "Slice" naar een supercel van de bodem Si (111) substraat met de grootte van 26,878 x 46,554 x 9.7 Å 3 vast te leggen. Gebruik "Show periodieke foto's" commando om de supercell dupliceren 12 keer in z-richting. Exporteer het gegevensbestand.
    3. Combineer de gegevensbestanden van Si (111) 7 x 7 oppervlak en de Si (111) substraat modellen van Notepad ++ (een gratis source code editor). Tot slot, laadt de gecombineerde gegevens in OVITO. Gebruik "periodieke Bekijk foto's 'om te dupliceren een 5 x 3 supercell in x- en y-richtingen om de grootte van het substraat te vergroten.
    4. Gebruik LAMMPS om een ​​20 psec te voerenMD simulatie tijd om te ontspannen het simulatiemodel. Hierna Voer een afschrikwerkwijzestroom van 1550 K tot kamertemperatuur gedurende 500 psec simulatie tijd. Tot slot, het uitvoeren van een 10 psec simulatie tijd voor de laatste ontspanning proces.
  3. Voorbereiding van de C 84 Fullerene Eenlaags
    1. Download de coördinatie dossier van de geoptimaliseerde structuur van C 84 fullereen van de baan 21 en schrijf een FORTRAN programma tot 49 C 84 fullerenen gerangschikt in een honingraatstructuur te repliceren.
    2. Gebruik LAMMPS setup reflecteren wanden op en onder de 84 C monolaag opdat de moleculen blijven op een plan. Voer een MD-simulatie tijd voor 200 psec om het simulatiemodel te ontspannen. In het volgende, het uitvoeren van een doof traject van 700 K tot kamertemperatuur om een ​​glob minimum staat voor 500 psec simulatie tijd te verkrijgen. Tot slot, het uitvoeren van een 10 psec simulatie tijd voor de definitieve ontspanning proces.
  4. Bepaal de Indentatie Model van C 84 Fullerene monolaag on Silicon (111) 7 x 7 Surface.
    1. Schrijf een FORTRAN code om de C 84 monolaag op de Si te leggen (111) 7 x 7 oppervlak met een afstand van 3 A om het inspringen model vast te stellen.
    2. Gebruik LAMMPS de C 84 monolaag te bedden in de ondergrond met de diepte van 2 ~ 3 Å. In het volgende, lopen een 40 psec simulatie tijd voor ontspanning systeem. Tenslotte gloeien het systeem tot kamertemperatuur.
    3. Verdeel het siliciumsubstraat in een bovenste laag Newtoniaanse atoom, een thermische besturingslaag en een onderste vaste laag, die 0,7, 2 en 5,3 nm dikte, respectievelijk. De C 84 monolagen werden gemodelleerd als een Newtonse atoom.
  5. Inspringen Proces van het MD
    1. Gebruik LAMMPS een bolvormige sonde maken met 5 nm in diameter op de C 84 / Si (111) 7 x 7 oppervlaktemodus (Figuur 5). De probe wordt als een star lichaam. Geef een constante snelheid van 10 m / sec op de probe naar beneden te bewegen in de richting van het model in de insprong proces.
    2. Verplaats de sensor naar beneden om het monster bij een constante snelheid tot de specifieke invoer- diepte (dat wil zeggen, ook in geval van 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20 en 30 A teneinde het effect van de C 84 fullerenen monolaag staand op het Si-substraat, waarbij de grootte van C 84 fullereen is 11 A) in het laadproces. Houd de sonde in het substraat in het bedrijf proces, teneinde de ontspanning van atomen. Tenslotte haal de probe van het substraat met een constante snelheid in de terugtrekking proces.
  6. Berekening en Analyse
    1. Bereken de inkeping kracht door het optellen van de verticale kracht van atomen in de probe volgens de volgende formules:
      Vergelijking (1)
    2. Uitgepakt de verminderde modulus en de stijfheid van de kracht-afstand curve van inspringen. Basis van Oliver & Pharr en #39; s methode 22, een lineair verband worden verkregen tussen de Young modulus en de stijfheid lossen. De stijfheid (dat wil zeggen, de helling van het eerste gedeelte) van het lossen wordt gedefinieerd als
      Vergelijking (2)
      waarin P, H, A en E r de indrukking lading, elastische verplaatsing probe geprojecteerd van de insnijding, en verminderde modulus. β (= 1 voor ronde indringlichaam) is de vorm modificatie factor. De relatie tussen verminderde modulus en Young's modulus kan worden geschreven als
      Vergelijking (3)
      waarin E en v de Young's modulus en Poisson voor het monster en Ei en vi de modulus Young en Poisson voor het druklichaam.
    3. Bereken de hardheid per definitie van H = P max / A, waarbij P max en A zijn de maximale inspringen kracht en geprojecteerde oppervlak van de sonde.
    4. Bereken viriaal atoom spanning 22 op de meter vlak van het substraat in de n -richting van
      Vergelijking (4)
      waarbij mi de massa van atoom i; Vergelijking en Vergelijking zijn de snelheidscomponenten atoom i in de m - en n -directions, respectievelijk Vi het volume toegewezen rond atoom i, Ns het aantal deeltjes die in gebied S, waarbij S wordt gedefinieerd als het gebied van atomaire interactie ; Φ (r ij) de potentiële functie; r ij is de afstand tussen de atomen en i en Vergelijking zijn de m - en n -richting componenten van de vector van het atoom i naar j atoom.
    5. Gebruik OVITO de von Mises-stam van de atoom invariant met de volgende formules tonen:
      Vergelijking (5)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een monolaag van C 84 moleculen op een ongeordende Si (111) oppervlak werd vervaardigd onder gecontroleerde zelfassemblage proces een UHV kamer Figuur 1 toont een reeks topografische beelden gemeten door UHV-STM met verschillende mate van dekking:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, en (d) 0,9 ML. De elektronische en optische eigenschappen van de C 84 ingebedde Si-substraat werd eveneens onderzocht met verschillende oppervlakte-analysetechnieken, zoals STM en PL (Figuur 2). Het uitstekende materiaaleigenschappen van de resulterende monsters demonstreren hoe nanotechnologie kan worden gebruikt voor de bestrijding van materie op atomaire en nano-schaal. Het MFM en SQUID resultaten in Figuur 3 tonen de oppervlaktemagnetisatie van C 84 ingesloten substraat. Figuur 4 toont de UHV-AFM resultaten verwijzen naar de nanomechanica voorgestelde substraat. De experimentele resultaten tonen het vermogen van de C 84 (figuur 4).

In de simulatie deel worden alle procedures aangevuld met LAMMPS de MD-simulaties. De mechanische eigenschappen (indentatie kracht en contactdruk) van de fullereen ingebedde substraat wordt berekend en weergegeven in figuur 6. De von Mises-stam analyse van atomen op verschillende tijdstap worden gebruikt om de lokale vervorming te karakteriseren. De bijbehorende snapshots als functie van de indrukking diepte kan worden gezien in de inserties van figuur 6, die werden berekend en gevisualiseerd door OVITO. De resultaten van indrukking kracht als functie van de indrukking diepte worden gebruikt om de hardheid H (figuur 7a), verminderde modulus E berekenen <sub> r (figuur 7b) en lading stijfheid S (Figuur 8) van de C 84 monolaag. De resultaten zijn te vergelijken met die proefondervindelijk bepaald en verschaft een meer gedetailleerd oogpunt van de variatie van de mechanische eigenschappen te interpreteren.

Figuur 1
Figuur 1: C 84 Embedded Si-substraat met verschillende dekking Reeks STM topografische beelden (40 x 40 nm 2) geeft C 84 moleculen aan Si (111) vlak bij een negatief monster voorspanning van 2 V, zoals gemeten door UHV-STM. met verschillende mate van dekking: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, en (d) 0,9 ML.

Figuur 2
Figuur 2: elektronische eigenschappen metingen C 84 ingebedde Si-substraat (a) IV curves en gedifferentieerde derivaten geleiding (dI / dV) versus de spanning curve van een zelf samengestelde laag C 84, zoals bepaald door UHV-STM. ; (B) Veld emissie stroomdichtheid vs elektrische veld curve; (C) Overeenkomstige FN perceel van het oppervlak met ingebedde C 84, zoals gemeten met behulp van een bron-meeteenheid; (D) fotoluminescentiespectrum single zelf-geassembleerde laag van C 84. Re-print met toestemming van referentie 12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Surface magnetisme op C 84 Embedded Si substraat (a) MFM beeld van Si-substraat ingebed met C 84.; (B) Magnetisatie loop uitgezet tegen extern magnetisch veld Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: Nanomechanical onderzoek naar C 84 Embedded Si-substraat Force-afstand analyse van wanordelijke Si oppervlak, 7 x 7 oppervlak, enkel zelf-geassembleerde laag van C 84 ingebed in Si oppervlak, en Si oppervlak, zoals bepaald met behulp van UHV-AFM.. Re-print met toestemming van referentie 11. Klik hiervoor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: Stroomschema voor de oprichting van simulatiemodel De dramatische illustratie van de instelling in MD simulatie van een enkele laag C 84 en Si (111) 7 x 7 oppervlak tot een C 84 monolaag insluiten in Si (111) 7 x 7-model.. De detail procedures is te zien in de sectie 5 van het protocol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6: Inspringen kracht en Contact belastingsanalyse Inspringen kracht (zwart) en contact met stress (blauw) van de C 84 als functie van de inkeping diepte.. inzetstukkentonen de overeenkomstige snapshots, waarbij de verschillende kleur geeft de overeenkomstige von Mises stam vM) van alle atomen. Om duidelijk display de spanning lokalisatie, alleen de atomen met ε vM> 0,08 worden getoond in de momentopname. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7:.. Hardheid en verminderde modulus analyse (a) Hardheid en (b) verminderde modulus variatie als functie van de inkeping diepte voor de C 84 monolaag op Si oppervlak Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


Figuur 8: Laden stijfheid analyse. Loading stijfheid als functie van de afstand bepaald door MD-simulaties vergeleken met die van AFM experimenten C 84 / Si. Gewijzigd ten opzichte van referentie 16. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In deze studie demonstreren we de vervaardiging van een zelf samengestelde monolaag van 84 C op een Si-substraat door een nieuwe gloeiproces (figuur 1). Deze werkwijze kan ook worden gebruikt om andere soorten nanodeeltjes ingebed halfgeleidersubstraten bereiden. De C 84 -Embedded Si-substraat werd gekarakteriseerd op atomaire schaal gebruikt UHV-STM (figuur 2), veldemissie spectrometer, fotoluminescentie spectroscopie, MFM en SQUID (figuur 3).

De hechting sterk genoeg is om nanomechanical eigenschappen (bijvoorbeeld, stress) van de C 84 -Embedded Si-substraten kunnen worden gemeten met AFM (figuur 4). Onze resultaten tonen aan dat de hardheid van de voorgestelde C 84 -Embedded Si substraat vergelijkbaar met die van SiC en Si oppervlakken toepasbaar te maken als een schuurmateriaal voor snijgereedschappen en een film MEMS.

jove_content "> In de simulatie sectie analyse de von Mises spanning vM) in staat om de lokale vervorming van atoomstructuur, die zeer moeilijk experiment worden waargenomen detecteren is. Het is echter niet mogelijk de fasetransformatie karakteriseren. hier stellen we nuttige indices zoals coördinatiegetal en HA index 23 de fase transformatie onderzocht. bij het vaststellen van de inkeping model moeten we erop wijzen dat de omvang van het substraat in bovenaanzicht richting ten minste drie keer zo groot moeten zijn dan de diameter van de sonde voor het elimineren van de grootte effect en de randvoorwaarde beperking, wat gevolgen zou hebben voor de dynamiek en kracht stroom van atomen.

Bovendien, vanwege de tijdsbeperking MD simulatie, om de inkeping te bestuderen, wordt het warmtegevoelige het monster uitoefenen met een zeer hoge snelheid in vergelijking met die in experiment. We merken op dat een dergelijke lading snelheid te hoog is om uit te komen op de lange tijd opmische diffusie en migratiegedrag, maar het is nog steeds geschikt te observeren en beschrijven de plastische vervormingsgedrag en materiaaleigenschappen onder mechanische belasting 24 omdat de resultaten bij benadering quasi-statische herkenbaar in de natuur 25. Een alternatieve theorie, genaamd Parallel Replica dynamiek (PRD) 26, is ontwikkeld om aanzienlijk te versnellen de simulatie tijd, maar het vereist zware middelen computing.

De resultaten van de MD simulatie studie gegevens in overeenstemming met de AFM inkeping experiment (figuur 8); Bovendien, de hardheid en verminderde modulus van de C 84 -Embedded Si substraat vergelijkbaar met andere Si-substraten. Deze gegevens suggereren dat C 84 -Embedded Si substraten kunnen aanzienlijke gevolgen in opto-elektronische hebben en verdunde magnetische halfgeleider (DMS) nanodevices.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics