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

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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

Questo documento riporta una serie progettata C 84 -Embedded substrato di Si fabbricati utilizzando un metodo di auto-assemblaggio controllato in una camera a vuoto ultra-alta. Le caratteristiche del 84 C -Embedded superficie di Si, come la topografia atomico risoluzione, densità elettronica locale degli stati, energia band gap, proprietà di emissione di campo, nanomeccanico rigidità, e il magnetismo di superficie, sono stati esaminati usando una varietà di tecniche di analisi di superficie sotto ultra, alto vuoto (UHV) le condizioni nonché in un sistema atmosferico. I risultati sperimentali dimostrano l'uniformità del 84 C -Embedded Si superficie fabbricati usando un meccanismo di auto-assemblaggio nanotecnologie controllato, rappresenta un importante sviluppo nell'applicazione del Display ad emissione di campo (FED), dispositivo opto fabbricazione, MEMS utensili da taglio, e negli sforzi per trovare un sostituto adatto per i semiconduttori in metallo duro. Metodo di dinamica molecolare (MD) con un potenziale semi-empirica può be utilizzato per studiare la nanoindentazione di C 84 -Embedded substrato di Si. Una descrizione dettagliata per eseguire la simulazione MD è presentato qui. Dettagli per uno studio completo sulla analisi meccanica di simulazione MD, come forza di rientro, il modulo di Young, la rigidità di superficie, lo stress atomica, e la tensione atomica sono inclusi. Le atomiche di tensione e deformazione von Mises-distribuzioni del modello rientro possono essere calcolati per monitorare il meccanismo di deformazione con valutazione del tempo a livello atomistico.

Introduction

Molecole di fullerene e materiali compositi che li compongono si distinguono tra i nanomateriali a causa delle loro caratteristiche strutturali eccellenti, conduttività elettronica, resistenza meccanica e le proprietà chimiche 1-4. Questi materiali hanno dimostrato estremamente utile in una vasta gamma di settori, quali l'elettronica, computer, la tecnologia delle celle a combustibile, celle solari, e la tecnologia ad emissione di campo 5,6.

Tra questi materiali, carburo di silicio (SiC) compositi nanoparticelle hanno ricevuto particolare attenzione grazie alla loro gap banda larga, alta conducibilità termica e stabilità, alta capacità guasto elettrico, e inerzia chimica. Questi benefici sono particolarmente evidenti nei dispositivi optoelettronici, transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET), diodi emettitori di luce (LED), e ad alta potenza, alta frequenza, e le applicazioni ad alta temperatura. Tuttavia, difetti alta densità comunemente osservati sulla superficie Conventicarburo di silicio onale può avere effetti negativi sulla struttura elettronica, anche portando al fallimento dispositivo 7,8. Nonostante il fatto che l'applicazione di SiC è stata studiata dal 1960, questo particolare problema irrisolto rimane.

Lo scopo di questo studio è stato la realizzazione di un C 84 -Embedded Si substrato eterogiunzione e successiva analisi per ottenere una comprensione completa delle proprietà elettroniche, optoelettroniche, meccanico, magnetico, e sul campo di emissione dei materiali di risulta. Abbiamo anche affrontato la questione della usando la simulazione numerica per predire le caratteristiche dei nanomateriali, attraverso la nuova applicazione di calcoli di dinamica molecolare.

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Protocol

NOTA: Il documento descrive i metodi utilizzati per la formazione di un auto-assemblato matrice fullerene sulla superficie di un substrato semiconduttore. Specificamente, presentiamo un nuovo metodo per la preparazione di un substrato di silicio fullerene-embedded per uso come un emettitore di campo o substrato in sistemi microelettromeccanici (MEMS) e dispositivi optoelettronici ad alta temperatura, ad alta potenza, applicazioni come in alto dispositivi -Convertitore di frequenza 9-13.

1. Realizzazione di esagonale-chiuso-confezionati (HCP) Overlayer di C 84 su Si substrato

  1. Preparare Clean Si (111) substrato
    1. Oggetto Si substrato RCA (Radio Corporation of America) pulizia, comporta l'applicazione di un solvente seguita da riscaldamento in un sistema ultra-alto vuoto per la rimozione dello strato di ossido e le impurità dalla superficie del substrato (vedi materiale di supporto).
      NOTA: nel presente documento, il termine "UHV-ultra sistema di alto vuoto" si riferiscead un vuoto inferiore a 1 x 10 -8 Pa utilizzata nella preparazione di un Si (111).
  2. Deposito C 84 su silicio superficiale con evaporazione termica in un sistema UHV
    1. Pre-riscaldare un evaporatore K-cella con alimentazione esterna mediante filamenti riscaldanti a 500 ° C per promuovere il degassamento di impurezze.
    2. Caricare C 84 nanoparticelle in un contenitore K-cellule. Resistiva riscaldare il K-cellula a 650 ° C. Vaporizzare C 84 nanoparticelle come C 84 nanoparticelle nel contenitore compongono i vapori. Evaporare C 84 nanoparticelle in linee rette fino nanoparticelle colpiscono un substrato di Si attraverso una valvola controllata a pressione inferiore a 5 x 10 -8 Pa.
  3. Incorpora C 84 molecole all'interno di Si superficie attraverso Autoassemblaggio Meccanismo
    1. Pre-ricottura Si (111) del substrato in un sistema ultra-alto vuoto a 900 ° C per ottenere strutture (1x1). Ridurre la temperatura a 650 ° C per 30 min per i deposition dei C 84 nanoparticelle sulla superficie del substrato.
    2. Ricottura del substrato di Si a ~ 750 ° C per 12 ore, durante il quale la polvere-C 84 nanoparticelle auto-assemblano in una matrice di fullerene altamente uniforme sulla superficie del (111) substrato di Si.
      NOTA: Qui, il termine "matrice fullerene molto omogenea" si riferisce alla distribuzione uniforme del fullerene sul substrato, in cui la maggior parte delle nanoparticelle sono orientati in una disposizione compatta perpendicolare alla superficie del substrato. Questa configurazione ha contribuito a garantire che l'altezza verticale della matrice fullerene essenzialmente identico in tutti i campioni.

2. Misure di proprietà elettroniche di C 84 -Embedded Si substrato

  1. Misurare locale densità elettronica degli Stati Utilizzando UHV-microscopia ad effetto tunnel
    1. Misurare le curve IV di atomi specifici utilizzando UHV-SPM
    2. Luogo C 84
    3. Fare clic sulla voce di misura "IV" per misurare la corrente di tunneling I a risoluzione atomica. Scegli almeno 20 posizioni particolari sulla C 84 -Embedded substrato di Si per le misurazioni. Calcolare il valore medio della corrente di tunnel I più di 20 posizioni particolari. Deriva I in funzione della tensione. curve Plot IV.
    4. Calcolare la derivata di I (V) rispetto a V. Convertire curve IV a dI / dV in funzione della tensione, al fine di determinare lo stato elettronico locale del 84 C -Embedded substrato di Si.
  2. Misurare band gap di energia
    1. Ottenere le curve IV secondo le procedure in 2.1.2 e 2.1.3 dal seguente: Si (111) di superficie -7x7, Si (111) di superficie -1x1, singolo individuo C 84 nanoparticelle su Si, 7-19 C 84cluster su Si, 20-50 C 84 cluster su Si, e un monostrato di C 84 incorporato all'interno della superficie di Si.
    2. Calcolare la derivata di I (V) rispetto a V. Convertire curve IV di dI / dV curve di misurare differenze di energia HOMO-LUMO (denominato energia band gap) in ogni posizione di misura, come mostrato in Figura 2a.
  3. Ottenere Campo di emissione Properties (FE)
    1. Luogo C 84 -Embedded substrato di Si su un portacampioni FE. Inserire il supporto nel FE camera di analisi. Evacuare la camera ad una pressione di circa 5 x 10 -5 Pa per la misurazione FE.
      NOTA: Il substrato di silicio -Embedded C 84 funzionato come catodo ed una sonda di rame con una sezione trasversale di 0,71 millimetri ~ 2 funzionato come anodo. La distanza tra il catodo e l'anodo è stato di circa 590 micron.
    2. Aumentare la tensione applicata manualmente su supporto a partire da 100 V a 1.100 V. Misurare il corrispondonoing corrente di emissione di campo in funzione della tensione applicata utilizzando una unità di misura sorgente ad alta tensione con amplificatore di corrente.
    3. Calcolare la correlazione emissione di campo Fowler-Nordheim secondo la funzione lavoro ~ 5 eV come mostrato nella Figura 2b.
    4. Ottenere il fattore geometrico campo valorizzazione (β) come segue: (campo) = β (V / d) F con un valore β pari a circa 4.383.
    5. Ottenere campo ripartizione elettrico sotto vuoto basato sulla pendenza del logaritmo naturale (J / E 2) vs (1 / E), che ha dato un valore di ~ 4,0 x 10 6 V / cm per 84 C -Embedded substrato di Si come mostrato in figura 2c.
  4. proprietà optoelettroniche
    1. Trasferimento substrato test per un sistema di misurazione emissione ottica. Fuoco una sorgente laser He-Cd con 325 emissioni nm sul substrato che si trova al centro del compartimento campione. Impostare uno spettrometro in posizione opportuna. Utilizzare una spectrometer di acquisire lo spettro di fotoluminescenza raccogliendo e analizzando i fotoni che emettono. Il risultato optoelettronico è mostrato in figura 2d.

3. Misurazioni del magnetismo di superficie

  1. Ottenere MFM Topografia (Magnetic Force Microscopy).
    1. Magnetizzare campioni di C 84 -Embedded Si prima misurazioni MFM applicando un magnete con un'intensità di campo di circa 2 kOe.
    2. Mettere il campione magnetizzato su un palcoscenico campione MFM. Fare clic sulla voce "Ottieni MFM topografia". Osservare la microstruttura del fullerene nel dominio magnetico incorporato all'interno del substrato di Si utilizza MFM in modo di sollevamento con l'applicazione della magnetizzazione perpendicolare alla superficie del campione.
    3. Utilizzare una scala nanometrica PPP-MFMR sbalzo per misure MFM (Figura 3a). Determinare il magnetismo superficie se MFM topografia appare più scuro (più luminoso) quando il momento magnetico di punta è in same (fronte) in direzione del momento substrato.
  2. SQUID (Superconducting Quantum Interference dispositivo) Misura
    1. Preparare monostrato di C 84 -Embedded Si substrato e C 84 cluster su C 84 substrato di Si incorporato.
    2. Magnetizzare campioni di C 84 -Embedded Si e C 84 cluster sulla C 84 substrato di Si incorporato prima esperimenti SQUID applicando un magnete con un'intensità di campo di circa 2 kOe.
    3. Trasferire il campione in un SQUID. Applicare un campo magnetico spazzare in una gamma di ~ 2 kOe. Ottenere i cicli di magnetizzazione tracciati rispetto al campo magnetico esterno in misurazioni SQUID a temperatura ambiente.
      NOTA: La curva tipica MH per un materiale ferromagnetico può essere ottenuta come mostrato in Figura 3b.

4. Misura della Proprietà nanomeccaniche di AFM

NOTA: microscopia a forza atomica (AFM) fornisce unpotente strumento per la caratterizzazione di materiali e di proprietà meccaniche del micro e nano-scale in aria così come in un ambiente UHV

  1. Misurare la rigidità del C 84 incorporati Si Substrato a atmosferiche Condizioni
    1. Posizionare il substrato su un palcoscenico campione AFM. Trascinare una punta acuminata sui substrati utilizzando uno scanner. Monitorare gli spostamenti della punta come misura di forze di interazione punta-campione. Registrare i movimenti in molti distanze punta-campione lungo la direzione verticale in una certa posizione, cliccando sulla voce "misurazione della forza".
    2. Ottenere misurazioni di forza con un AFM in condizioni atmosferiche da un substrato di Si RCA-pulito con 2-3 strati nm di ossido naturale e da un C 84 -Embedded Si substrato e un substrato di Si rivestito con una pellicola sottile di SiC.
    3. Utilizzando il software AFM, tracciare le curve forza-distanza in condizioni atmosferiche.
      NOTA: Il cantilever AFM era una sonda Si con un raggio di punta~ 5-20 nm e la primavera costante di ~ 40 N / m.
  2. Misurare la rigidità del C 84 embedded Si substrato in UHV Camera
    1. Ottenere misure di forza in base alla guida di 4.1.1 utilizzando un AFM in un sistema UHV da un substrato di Si RCA-pulito, un Si (111) di superficie -7x7 pulita, un C 84 -Embedded Si substrato, il substrato e un substrato di Si rivestito con un sottile strato di SiC.
    2. Tracciare le curve forza-distanza in un sistema UHV. Nota:. Il cantilever AFM era una sonda Si con un raggio di punta di ~ 5-20 nm e la primavera costante di ~ 40 N / m Figura 4 presenta l'analisi forza-distanza di superficie disordinata Si, 7 x 7 di superficie, singolo auto- strato di concentrato di C 84 incorporato all'interno della superficie di Si, e la superficie di Si, come determinato utilizzando UHV-AFM.

5. Misura di proprietà nanomeccaniche da MD Simulazione

NOTA: nella sezione di simulazione, OVITO 16 (visualizati open-sourcesul software) e, OSSD 17 (banca dati struttura aperta di superficie) sono utilizzati per creare il modello di simulazione e visualizzazione dei risultati. LAMMPS 14 (un open-source pacchetto di simulazione di dinamica molecolare (MD)) è impiegato per eseguire la simulazione nanoindentazione e analizzare la simulazione risultati 15. Tutti i lavori di simulazione vengono eseguiti con calcolo parallelo in avanzata su larga scala Superammasso Parallel (ALPS) di NCHC.
NOTA: Per studiare il C 84 monostrato / Si substrato eterogiunzione utilizzando la simulazione MD, si deve preparare un modello di simulazione da diversi passaggi per ottenere un ambiente rilassato C 84 monostrato incorporato nel substrato di Si. Si noti che è difficile da generare un esattamente la stessa struttura dei dati sperimentali, a causa della complessità delle interrelazioni tra struttura C 84 monostrato e Si (111) substrato eterogiunzione. Come risultato, utilizziamo modo artificiale per generare il modello di simulazione con diversi passaggi di procedimento,che è illustrata in figura 5. I dettagli sono descritti nelle seguenti protocolli. Descriviamo come impostare il parametro di MD in LAMMPS, stabilire una rilassata C 84 fullerene monostrato incorporato in un substrato, eseguire una procedura di rientro, e analizzare i risultati della simulazione.

  1. Impostazione dei parametri in file di input LAMMPS
    1. Utilizzare il comando di confine per impostare le condizioni al contorno periodiche nel X e le Y-direzioni.
    2. Utilizzare il comando "velocità fix" per assegnare la velocità iniziale con una distribuzione gaussiana su ogni atomo del sistema, in modo casuale.
    3. Utilizzare il comando "pair_style fix" per assegnare Tersoff 18 e 19 AIREBO potenzialità per descrivere l'interazione Si-Si e Si-C e l'interazione CC, rispettivamente.
    4. Utilizzare "fix NVT" e "fissare npt" il comando di adottare il metodo NOSE-Hoover 20 per garantire il sistema rimane alla temperatura desiderata e la pressione per genevalutare un insieme canonico e isotermica-isobarica 20, in cui il sistema l'algoritmo di velocità-Verlet 20 è impiegato per prevedere le traiettorie degli atomi. Utilizzare sia "fix NVT" e "run" i comandi per impostare una velocità di raffreddamento di 3 K / PSEC per il processo di ricottura.
    5. Utilizzare il comando "passo temporale" per impostare un passo temporale di 0,2 FSEC come l'integrazione tempo.
    6. Utilizzare il comando "muro / riflettere fissare" di adottare un muro riflesso di confinare il grado di libertà (5.3.2).
    7. Utilizzare "regione" e "gruppo" per dividere il substrato in diversi livelli di controllo (5.4.3): strato atomico newtoniano, un livello di controllo termico, ed uno strato inferiore fisso, che può essere impostato utilizzando "fix nve", " fissare NVT ", e" fissare comandi setforce ", rispettivamente.
    8. Utilizzare "regione" e "create_atoms" comandi per creare una sonda sferica.
    9. Utilizzare il comando "fix mossa" per incorporare il monostrato C84 nel substrato (5.4.2) e spostare la sonda durante la simulazione (5.5.2).
    10. Utilizzare il comando "Esegui" per eseguire la simulazione MD.
    11. Usare "la forza di calcolo" (5.6.1) e "stress calcolo / atom" (5.6.4) i comandi per valutare lo stress e rientro a forza atomica.
      NOTA: Nel seguito, tranne la struttura che stabilisce, tutti i passi sono stati fatti dallo script LAMMPS.
  2. Utilizzare circuito di abilitazione e OVITO alla preparazione di silicio (111) 7 x 7 Surface.
    1. Accendere il software circuito di abilitazione. Fare clic sul pulsante "cerca". "Criteri di ricerca" del pannello è presentato. Ha scelto Si substrato, di tipo elementare, struttura ricostruita, elet dei semiconduttori, della grata di diamante, 111 viso e 7 x 7 modello. Fare clic sui pulsanti "Cerca" e "Accetta". "Strutture" del pannello è presentato. Istruzioni la struttura desiderata (cioè, Si (111) 7 x 7). Fare clic sul pulsante "File". Salvare il file di coordinamento come xyz file.
      NOTA BENE: Si precisa che la strutturaledatabase estratto dal circuito di abilitazione non è abbastanza grande per la nostra simulazione indentazione. Come risultato, abbiamo ricostruire un substrato più grande e più spesso con i seguenti passaggi.
    2. Accendere il software OVITO. Caricare il file xyz in OVITO. Utilizzare il comando "fetta" per catturare una supercella del Si (111) 7 x 7 superficie con dimensioni di 26,878 x 46,554 A 2 in direzione X e Y. Esportare il file di dati. Utilizzare il comando "fetta" per catturare una supercella del fondo di Si (111) substrato con dimensioni di 26,878 x 46,554 x 9.7 Å 3. Utilizzare il comando "Mostra le immagini periodiche" per duplicare la supercella 12 volte in direzione z. Esportare il file di dati.
    3. Unire i file di dati di Si (111) 7 x 7 di superficie e il Si (111) modelli substrato con Notepad ++ (un editor di codice sorgente gratuito). Infine, caricare i dati combinati in OVITO. Utilizzare "Vedere le foto periodici" per duplicare una supercella 5 x 3 in direzioni X e Y per ingrandire le dimensioni del substrato.
    4. Utilizzare LAMMPS per eseguire un 20 PSECtempo di simulazione MD per rilassarsi il modello di simulazione. In seguito, eseguire un processo di raffreddamento da 1.550 K a temperatura ambiente per 500 tempo di simulazione psec. Infine, effettuare una simulazione in tempo 10 PSEC per il processo di rilassamento finale.
  3. Preparazione di C 84 Fullerene monostrato
    1. Scaricare il file coordinamento della struttura ottimizzata della C 84 fullerene dal web 21 e scrivere un programma FORTRAN per replicare 49 C 84 fullereni disposti in una struttura a nido d'ape.
    2. Utilizzare LAMMPS per impostare riflettere pareti su e sotto la C 84 monostrato per garantire che le molecole di rimanere su un piano. Eseguire un tempo di simulazione MD per 200 PSEC per rilassare il modello di simulazione. In seguito, eseguire un processo di raffreddamento da 700 K a temperatura ambiente per ottenere uno stato di minima glob per 500 psec tempo di simulazione. Infine, effettuare una simulazione in tempo 10 PSEC per il processo di rilassamento finale.
  4. Stabilire la Indentazione Modello di C 84 Fullerene monostrato su silicio (111) 7 x 7 Surface.
    1. Scrivere un codice FORTRAN per gettare le monostrato C 84 sulla Si (111) 7 x 7 superficie con distanza di 3 A per stabilire il modello di rientro.
    2. Utilizzare LAMMPS per incorporare il monostrato C 84 nel substrato con profondità di 2 ~ 3 Å. Nel seguito, eseguire un tempo di simulazione 40 PSEC per il relax del sistema. Infine, ricuocere il sistema a temperatura ambiente.
    3. Dividere il substrato di silicio in uno strato superiore newtoniano atomo, un livello di controllo termico, ed uno strato inferiore fisso, che sono 0,7, 2, e 5,3 nm di spessore, rispettivamente. I C 84 monostrati sono stati modellati come un atomo di Newton.
  5. Processo rientro di MD
    1. Utilizzare LAMMPS per creare una sonda sferica con 5nm di diametro sulla 84 / Si modalità superficie C (111) 7 x 7 (figura 5). La sonda è impostato come un corpo rigido. Specificare una velocità costante di 10 m / sec sul probe a muoversi verso il basso verso il campione nel processo di rientro.
    2. Spostare la sonda verso il basso per il campione ad una velocità costante fino alla profondità specifica carico (cioè, inclusi i casi di 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20, e 30 Å onde esplorare l'effetto della C 84 fullereni monostrato sul substrato di si, in cui la dimensione di C 84 fullerene è 11 a) nel processo di caricamento. Tenere la sonda nel substrato nel processo di tenuta per consentire il rilassamento di atomi. Infine, estrarre la sonda dal substrato ad una velocità costante nel processo di retrazione.
  6. Calcolo e analisi
    1. Calcolare la forza puntiforme sommando forza verticale di atomi sonda secondo le seguenti formule:
      Equazione (1)
    2. Estratto il modulo ridotto e rigidità dalla curva forza-distanza di indentazione. Sulla base di Oliver e Pharr & #39; metodo s 22, una relazione lineare può essere derivata tra il modulo di Young e la rigidità scarico. La rigidità (cioè, la pendenza della porzione iniziale) della curva di scarico è definita come
      Equazione (2)
      dove P, h, A ed E r sono dal carico, spostamento elastico della sonda, area proiettata della rientranza, e riduzione del modulo. β (= 1 per penetratore circolare) è il fattore di modifica forma. La relazione tra modulo ridotta e modulo di Young può essere scritta come
      Equazione (3)
      dove E e V sono il modulo di Young e rapporto di Poisson per il campione ed E i e v i sono il modulo di Young e rapporto di Poisson per il penetratore.
    3. Calcolare la durezza per definizione di H = P max / A, dove P max e A sono la forza massima rientranza e all'area proiettata di sonda.
    4. Calcolare il viriale sollecitazioni atomico 22 sulla m piano del substrato nel n-direzione da
      Equazione (4)
      dove m i è la massa dell'atomo i; Equazione e Equazione sono componenti di velocità di atomo i in m - e n -directions, rispettivamente; V i è il volume assegnato intorno all'atomo i; N s è il numero di particelle contenute nell'ambito della regione S, dove S è definito come la regione di interazione atomica ; Φ (r ij) è la funzione potenziale; r ij è la distanza tra gli atomi I e e Equazione sono il m - e n-direzione componenti del vettore da atomo i all'atomo j.
    5. Utilizzare OVITO mostrare ceppo von Mises-invariante di ogni atomo secondo le formule seguenti:
      Equazione (5)

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Representative Results

Un monostrato di C 84 molecole su una superficie (111) disordinata Si è stato fabbricato usando un processo di auto-assemblaggio controllato in una camera UHV figura 1 mostra una serie di immagini topografiche misurati mediante UHV-STM con vari gradi di copertura:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, e (d) 0,9 ML. Le proprietà elettroniche e ottiche del substrato di Si incorporato C 84 sono stati studiati utilizzando una varietà di tecniche di analisi di superficie, come STM e PL (Figura 2). Le proprietà del materiale eccellenti dei campioni risultanti dimostrano come nanotecnologie può essere utilizzato per il controllo della materia a atomic- e nano-scale. I MFM e calamari risultati in figura 3 mostrano il magnetismo superficie del substrato C 84 incorporato. La figura 4 presenta i risultati UHV-AFM che fanno riferimento alle nanomeccanica di substrato proposto. I nostri risultati sperimentali dimostrano il potenziale del 84 C Figura 4).

Nella sezione simulazione, tutte le procedure sono completate utilizzando LAMMPS per eseguire le simulazioni MD. Le proprietà meccaniche (forza di rientro e lo stress di contatto) del substrato fullerene incorporato è calcolato e mostrati in figura 6. L'analisi ceppo von Mises-di atomi al passo temporale diversi sono usati per caratterizzare la deformazione locale. Le istantanee corrispondenti in funzione della profondità di penetrazione può essere visto negli inserti di figura 6, che sono stati calcolati e visualizzati tramite OVITO. I risultati di forza indentazione in funzione della profondità di penetrazione vengono utilizzati per calcolare la durezza H (figura 7a), ridotta modulo E <sub> r (figura 7b), e il caricamento rigidità S (Figura 8) del monostrato C 84. I risultati possono essere confrontare con quello determinato da esperimento e fornisce un punto più particolare della vista di interpretare la variazione della proprietà meccanica.

Figura 1
Figura 1: C 84 substrato di Si Embedded con copertura diversa serie di STM immagini topografiche (40 x 40 nm 2) mostra C 84 molecole adsorbite su Si (111) superficie ad una polarizzazione campione negativo di 2 V, come misurato da UHV-STM. con vari gradi di copertura: (a) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, e (d) 0,9 ML.

figura 2
Figura 2: proprietà elettroniche misure su C 84 sistemi Embedded substrato di Si (a) IV curve e differenziale conduttanza derivato (dI / DV) vs la curva di tensione di un singolo strato di auto-assemblati di C 84, come determinato dal UHV-STM. ; (B) emissione di campo densità di corrente vs curva campo elettrico; (C) corrispondente FN terreno di superficie con embedded C 84, come misurato utilizzando una sorgente su misura; (D) lo spettro di fotoluminescenza singolo strato auto-assemblato di C 84. Re-stampa con il permesso di riferimento 12. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: magnetismo di superficie su C 84 substrato di Si embedded (a) immagine MFM di Si substrato embedded con C 84.; (B) ciclo di magnetizzazione tracciata contro il campo magnetico esterno Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Substrato nanomeccanici indagini sulla C 84 embedded Si analisi Forza distanza di superficie disordinata Si, 7 x 7 di superficie, singolo strato auto-assemblati di C 84 incorporato all'interno della superficie di Si, e la superficie di Si, come determinato utilizzando UHV-AFM: Figura 4.. Re-stampa con il permesso di riferimento 11. Cliccate quiper visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: Diagramma di flusso per la creazione di modelli di simulazione Il drammatico illustrano l'impostazione nella simulazione MD da un singolo strato di C 84 e Si (111) 7 x 7 superficie da un monostrato C 84 incorporare in Si (111) 7 x 7 modello.. Le procedure di dettaglio possono essere visti nella sezione 5 del protocollo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6: Forza rientro e di contatto lo stress analisi forza indentazione (nero) e contattare lo stress (blu) di C 84 in funzione della profondità di indentazione.. insertimostrare le istantanee corrispondenti, dove il colore diverso indica il corrispondente ceppo von Mises VM) di tutti gli atomi. Per cancellare visualizzare la localizzazione ceppo, solo gli atomi con ε vM> 0,08 sono riportati nello snapshot. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7:.. Durezza e ridotto analisi modulo (a) durezza e (b) la variazione del modulo ridotto in funzione della profondità di penetrazione per il monostrato C 84 sulla superficie di Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura 8: Caricamento analisi rigidità. Caricamento rigidità in funzione della distanza determinata da simulazioni MD rispetto a quella da esperimenti AFM per C 84 / Si. Modificato da riferimento 16. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

In questo studio, dimostriamo la fabbricazione di un monostrato auto-assemblato di C 84 su un substrato di Si attraverso un processo di ricottura novel (Figura 1). Questo processo può anche essere utilizzato per preparare altri tipi di substrati semiconduttori nanoparticelle embedded. La C 84 -Embedded substrato di Si è stato caratterizzato su scala atomica usando UHV-STM (figura 2), campo spettrometro di emissione, spettroscopia foto-luminescenza, MFM e SQUID (Figura 3).

La forza di adesione corrisponde alla proprietà nanomeccaniche (cioè, stress) del 84 C -Embedded substrati di Si può essere misurata usando AFM (Figura 4). I nostri risultati dimostrano che la durezza del proposto C 84 -Embedded Si substrato è paragonabile a quello delle superfici SiC e Si, rendendolo applicabile come materiale abrasivo per utensili e un film in dispositivi MEMS taglio.

jove_content "> Nella sezione simulazione, il ceppo von Mises VM) analisi è in grado di rilevare la deformazione locale della struttura atomica, che è molto difficile da osservare nell'esperimento. Tuttavia, non è possibile caratterizzare la trasformazione di fase. Qui, suggeriamo alcuni indici utili come numero di coordinazione e l'indice HA 23 per esaminare la trasformazione di fase. nella cornice del modello indentazione, dobbiamo sottolineare che la dimensione del substrato in direzione piano deve essere almeno tre volte più grande del diametro della sonda per eliminare l'effetto di scala e la limitazione condizione al contorno, che colpirebbe le dinamiche e il flusso di forza di atomi.

Inoltre, a causa del termine di simulazione MD, per studiare il processo di indentazione, la sonda dovrebbe esercitare il campione con una velocità molto veloce rispetto a quella nell'esperimento. Notiamo che una tale velocità di caricamento è troppo elevata per uscire lungo tempo acomportamento diffusione e la migrazione OMIC, ma è ancora adatto a osservare e descrivere le proprietà plastiche comportamento di deformazione e materiali in condizioni di carico meccanico 24, perché i risultati possono essere riconosciuti come circa il quasi-statico in natura 25. Una teoria alternativa, di nome dinamiche replica Parallel (PRD) 26, è stata sviluppata per accelerare notevolmente il tempo di simulazione, ma richiede risorse di calcolo pesanti.

I dati ottenuti dallo studio di simulazione MD è in accordo con l'esperimento AFM indentazione (Figura 8); Inoltre, la durezza e ridotta modulo del C 84 -Embedded Si substrato sono paragonabili ad altri substrati di Si. Questi dati suggeriscono che C 84 -Embedded substrati di Si può avere un impatto significativo in optoelettronica e diluire semiconduttori magnetici nanodispositivi (DMS).

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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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