Sondeo de 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

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

Este documento informa de una matriz de diseño C 84 -embedded sustrato de Si fabricado usando un método de auto-ensamblaje controlada en una cámara de vacío ultra-alto. Las características de la C 84 -embedded superficie Si, como la resolución de la topografía atómico, la densidad electrónica local de los estados, de la energía de banda prohibida, las propiedades de emisión de campo, rigidez nanomecánica, y el magnetismo de la superficie, se examinaron usando una variedad de técnicas de análisis de superficies bajo Ultra, alto vacío (UHV) condiciones, así como en un sistema atmosférico. Los resultados experimentales demuestran la alta uniformidad de la C 84 -embedded Si superficie fabricados utilizando un mecanismo de auto-ensamblaje nanotecnología controlada, representa un desarrollo importante en la aplicación de la pantalla de emisión de campo (FED), la fabricación del dispositivo optoelectrónico, MEMS herramientas de corte, y en los esfuerzos para encontrar un sustituto adecuado para los semiconductores de carburo. La dinámica molecular método (MD) con un potencial de semi-empírica puede be utilizado para estudiar el nanoindentación de C 84 -embedded sustrato de Si. Una descripción detallada de la realización de la simulación MD se presenta aquí. Se incluyen detalles de un amplio estudio sobre el análisis mecánico de la simulación MD como fuerza de indentación, el módulo de Young, la rigidez de la superficie, el estrés atómica, y la tensión atómica. Las tensiones y deformaciones von Mises-distribuciones atómicas del modelo de indentación se pueden calcular para monitorear mecanismo de deformación con la evaluación de tiempos en el nivel atomista.

Introduction

Moléculas de fullereno y los materiales compuestos que comprenden son distintivos entre los nanomateriales debido a sus excelentes características estructurales, conductividad electrónica, resistencia mecánica y propiedades químicas 1-4. Estos materiales han demostrado ser muy beneficioso en una amplia gama de campos, tales como la electrónica, la informática, la tecnología de células de combustible, células solares, y la tecnología de emisión de campo 5,6.

Entre estos materiales, carburo de silicio (SiC) compuestos de nanopartículas han recibido una atención especial gracias a su brecha de banda ancha, alta conductividad térmica y estabilidad, alta capacidad de ruptura eléctrica, e inercia química. Estos beneficios son particularmente evidentes en los dispositivos optoelectrónicos, transistores de metal-óxido-semiconductor de efecto de campo (MOSFET), diodos emisores de luz (LEDs), y de alta potencia, alta frecuencia, y aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, los defectos de alta densidad comúnmente observados en la superficie de conventicarburo de silicio onal puede tener efectos perjudiciales sobre la estructura electrónica, llegando incluso a 7,8 fallo del dispositivo. A pesar de que la aplicación de SiC se ha estudiado desde 1960, este problema no resuelto en particular permanece.

El objetivo de este estudio fue la fabricación de un C 84 -embedded heterounión sustrato de Si y el posterior análisis para obtener una comprensión global de las propiedades de emisión electrónicos, optoelectrónicos, mecánicos, magnéticos, y en el campo de los materiales resultantes. También se abordó la cuestión de la utilización de la simulación numérica para predecir las características de los nanomateriales, a través de la nueva aplicación de cálculos de dinámica molecular.

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Protocol

NOTA: El documento describe los métodos utilizados en la formación de una matriz de fullereno auto-ensamblada en la superficie de un sustrato semiconductor. Específicamente, se presenta un nuevo método para la preparación de un sustrato de silicio fullereno embebido para su uso como un emisor de campo o sustrato en sistemas microelectromecánicos (MEMS), y dispositivos optoelectrónicos en alta temperatura, de alta potencia, aplicaciones, así como en alto dispositivos -Variador 9-13.

1. La fabricación del Hexagonal-cierra-envasados (HCP) sobrecapa de C 84 en Si Sustrato

  1. Preparar Limpiar Si (111) Sustrato
    1. Asunto Si sustrato a RCA (Radio Corporation of America) de limpieza, que implica la aplicación de un disolvente seguido por calentamiento en un sistema de ultra-alto vacío para la eliminación de la capa de óxido y las impurezas de la superficie del sustrato (véase el material de soporte).
      NOTA: En este documento, el término "sistema de alto vacío UHV ultra" se refierea un vacío inferior a 1 x 10 -8 Pa utilizado en la preparación de un Si (111).
  2. Depósito C 84 sobre silicio superficie mediante evaporación térmica en un sistema UHV
    1. Pre-calentar un evaporador de células K con fuente de alimentación externa a través de los filamentos de calefacción a 500 ° C para promover la desgasificación de impurezas.
    2. Cargar C 84 nanopartículas en un recipiente de células K. Resistivamente calentar la célula K a 650 ° C. Vaporizar C 84 C 84 nanopartículas como las nanopartículas en el contenedor componen vapores. Se evapora C 84 nanopartículas en líneas rectas hasta nanopartículas logran un sustrato de Si a través de una válvula controlada a presión por debajo de 5 x 10 -8 Pa.
  3. Insertar C 84 moléculas dentro de Si superficie a través de mecanismo de auto-ensamblaje
    1. Pre-recocido de Si (111) de sustrato en un sistema de vacío ultra-alta a 900 ° C para obtener estructuras (1x1). Reducir la temperatura a 650 ° C durante 30 min para los DEPOSition de los C 84 nanopartículas en la superficie del sustrato.
    2. Recocer el sustrato de Si a ~ 750 ° C durante 12 h, tiempo durante el cual el polvo-C 84 nanopartículas de auto-ensamblan en una matriz de fullereno muy uniforme en la superficie del sustrato de Si (111).
      NOTA: En este documento, el término "matriz fullereno muy uniforme" se refiere a la distribución uniforme de fullereno sobre el sustrato, en el que la mayor parte de las nanopartículas están orientados en una disposición compacta perpendicular a la superficie del sustrato. Esta configuración ayudó a asegurar que la altura vertical de la matriz de fullereno era esencialmente idéntico en todas las muestras.

2. Las mediciones de propiedades electrónicas de C 84 -embedded Si Sustrato

  1. Medir la densidad electrónica local de los Estados mediante microscopía de efecto túnel-UHV
    1. Medir curvas IV de átomos específicos utilizando UHV-SPM
    2. Se coloca C 84
    3. Haga clic sobre el punto de medición "IV" para medir la corriente túnel I a resolución atómica. Elija por lo menos 20 lugares particulares en el sustrato de Si -embedded C 84 para las mediciones. Calcular el valor medio de la corriente túnel I más de 20 localizaciones particulares. Derivar I como una función de la tensión. Parcela curvas IV.
    4. Calcular la derivada de I (V) con respecto a V. Convertir las curvas IV a dI / dV como una función de la tensión con el fin de determinar el estado electrónico local de la C 84 -embedded sustrato de Si.
  2. Medir Gap Band Energía
    1. Obtener las curvas IV de acuerdo con los procedimientos descritos en los puntos 2.1.2 y 2.1.3 de las siguientes opciones: Si (111) -7x7 superficie, Si (111) de la superficie -1x1, solo individuo C 84 nanopartículas sobre el Si, 7-19 C 84racimos en SI, C 20-50 84 racimos en si, y una monocapa de C 84 embebido dentro de la superficie de Si.
    2. Calcular la derivada de I (V) con respecto a V. Convertir las curvas IV a las curvas di / dV para medir las diferencias de energía HOMO-LUMO (denominado a la energía de banda prohibida) en cada lugar de medición, como se muestra en la Figura 2a.
  3. Obtener propiedades de emisión de campo (FE)
    1. Se coloca C 84 -embedded sustrato de Si sobre un soporte de muestra FE. Insertar el soporte en la cámara de análisis FE. Evacuar la cámara a una presión de aproximadamente 5 x 10 -5 Pa para la medición de FE.
      NOTA: El sustrato de silicio -embedded C 84 funcionó como el cátodo y una sonda de cobre con un área de sección transversal de ~ 0,71 mm 2 funcionó como el ánodo. La distancia entre el cátodo y el ánodo fue de aproximadamente 590 micras.
    2. Aumenta la tensión aplicada manualmente sobre el sustrato a partir de 100 V y 1.100 V. Medir la correspondening corriente de emisión de campo en función de la tensión aplicada utilizando una unidad de medición de la fuente de alto voltaje con amplificador de corriente.
    3. Calcular la correlación de emisión de campo Fowler-Nordheim de acuerdo con la función de trabajo ~ 5 eV, como se muestra en la Figura 2b.
    4. Obtener el factor geométrico de mejora de campo (β) como sigue: F (campo) = β (V / d) con un valor de β de aproximadamente 4.383.
    5. Obtener el campo de ruptura eléctrica bajo vacío basado en la pendiente del logaritmo natural (J / E 2) vs (1 / E), que nos dio un valor de ~ 4.0 x 10 6 V / cm para el C 84 -embedded sustrato de Si como se muestra en la Figura 2c.
  4. Propiedades optoelectrónicos
    1. Transferencia del substrato de pruebas para un sistema de medición de emisión óptica. Enfoque una fuente láser de He-Cd con 325 emisiones nm sobre el sustrato que se encuentra en el centro del compartimiento de la muestra. Configurar un espectrómetro en una posición adecuada. Use un spectrometer para adquirir el espectro de fotoluminiscencia recogiendo y analizando los fotones que emiten. El resultado optoelectrónico se muestra en la Figura 2d.

3. Medida del magnetismo de la superficie

  1. Obtener MFM Topografía (Microscopía de Fuerza Magnética).
    1. Magnetizan muestras de C 84 -embedded Si antes de las mediciones MFM mediante la aplicación de un imán con una intensidad de campo de aproximadamente 2 kOe.
    2. Coloque la muestra magnetizada en una etapa de la muestra MFM. Haga clic sobre el tema "Obtener MFM topografía". Observar la microestructura de la fullerene en el dominio magnético incrustado dentro del sustrato de Si mediante MFM en modo de elevación con la aplicación de la magnetización perpendicular a la superficie de la muestra.
    3. Utilice una escala nanométrica PPP-MFMR voladizo para las mediciones MFM (Figura 3a). Determinar si el magnetismo superficie MFM topografía aparece más oscuro (más brillante) cuando el momento magnético de la punta está en el same (opuesta) dirección del momento sustrato.
  2. SQUID (Superconductor Quantum Interference Device) Medición
    1. Prepare monocapa de C 84 -embedded sustrato de Si y C 84 C 84 clústeres en sustrato de Si incrustado.
    2. Magnetizar muestras de C 84 -embedded Si y C 84 C 84 clústeres en sustrato de Si incrustado antes de los experimentos SQUID mediante la aplicación de un imán con una intensidad de campo de aproximadamente 2 kOe.
    3. Colocar la muestra en un SQUID. Aplicar un campo magnético de barrido en una gama de ~ 2 kOe. Obtener los bucles de magnetización representa frente al campo magnético externo en las mediciones SQUID a temperatura ambiente.
      NOTA: La curva típica MH para un material ferromagnético se puede obtener como se muestra en la Figura 3b.

4. Medición de las Propiedades por AFM nanomecánicos

NOTA: Microscopía de fuerza atómica (AFM) proporciona unapoderosa herramienta para la caracterización de las propiedades del material y mecánicas a la micro y nano-escala en el aire, así como en un entorno de UHV

  1. Medir la rigidez de C 84 Embedded de Si sustrato en condiciones atmosféricas
    1. Coloque el sustrato en una etapa de la muestra AFM. Arrastre una punta afilada sobre los sustratos utilizando un escáner. Vigilar los desplazamientos de la punta como una medida de fuerzas de interacción punta-muestra. Registrar los movimientos en muchas distancias por caídas de la muestra a lo largo de la dirección vertical en una determinada posición haciendo clic sobre el tema "medida de fuerza".
    2. Obtener mediciones de fuerza utilizando un AFM en condiciones atmosféricas de un sustrato de Si limpiado-RCA con 2-3 capa nm de óxido natural, así como a partir de un C 84 -embedded sustrato de Si y un sustrato de Si revestida con una película delgada de SiC.
    3. El uso de software AFM, trazar las curvas de fuerza-distancia en condiciones atmosféricas.
      NOTA: El voladizo del AFM fue una sonda de Si con un radio de punta de~ 5-20 nm constante y la primavera de ~ 40 N / m.
  2. Medir la rigidez de C 84 Embedded Si Sustrato en la Cámara de UHV
    1. Obtener mediciones de fuerza de acuerdo con la orientación de la 4.1.1 utilizando un AFM en un sistema de UHV de un sustrato de Si RCA-limpiado, una relación de Si (111) -7x7 superficie limpia, un C 84 -embedded Si sustrato, sustrato y un sustrato de Si revestida con una fina capa de SiC.
    2. Trazar curvas de fuerza-distancia en un sistema de UHV. Nota:. El voladizo del AFM fue una sonda de Si con un radio de punta de ~ 5-20 nm y la primavera constante de ~ 40 N / m Figura 4 presenta el análisis de fuerza-distancia de la superficie de Si desordenada, 7 x 7 la superficie, solo auto capa de ensamblado de C 84 incrustada dentro de la superficie de Si, y la superficie de Si, tal como se determina utilizando UHV-AFM.

5. Medición de las propiedades nanomecánicos por MD simulación

Nota: En la sección de simulación, OVITO 16 (visualizati de código abiertode software) y, circuito de habilitación 17 (base de datos de estructura de superficie abierta) se utilizan para crear la visualización modelo de simulación y los resultados. LAMMPS 14 (un código abierto dinámica molecular (MD) paquete de simulación) se emplea para llevar a cabo la simulación de nanoindentación y analizar los resultados de la simulación 15. Todos los puestos de trabajo de simulación se realizan con la computación en paralelo en la avanzada a gran escala Supercluster paralelo (ALPS) de NCHC.
NOTA: Para estudiar el C 84 monocapa / heterounión sustrato de Si mediante el uso de la simulación MD, uno debe preparar un modelo de simulación por varios pasos para obtener una relajada C 84 monocapa incrustado en el sustrato de Si. Tenga en cuenta que es difícil generar una exactamente la misma estructura de los datos experimentales, debido a la compleja estructura de la inter entre C 84 monocapa y Si (111) heterounión sustrato. Como resultado, se utiliza una manera artificial para generar el modelo de simulación con varios pasos de procedimiento,que se ilustra en la Figura 5. Se describen los detalles en los siguientes protocolos. Se describe cómo configurar el parámetro de MD en LAMMPS, establecer un ambiente relajado C 84 monocapa fullereno incrustado en un sustrato, lleve a cabo un procedimiento de sangría, y analizar los resultados de la simulación.

  1. Ajuste de parámetros en el archivo de entrada LAMMPS
    1. Utilice el comando límite para establecer las condiciones de contorno periódicas en los ejes X e Y-direcciones.
    2. Utilice el comando "velocidad de corrección" para asignar la velocidad inicial con una distribución de Gauss en cada átomo del sistema, al azar.
    3. Use "fijar pair_style" comando para asignar Tersoff 18 y 19 AIREBO potenciales para describir la interacción Si-Si y Si-C y la interacción CC, respectivamente.
    4. Use "NVT arreglo" y "fijar TNP" comando para adoptar el método de la nariz-Hoover 20 a asegurar que el sistema se mantiene a la temperatura deseada y la presión de genevaluar un conjunto canónico y isotérmica-isobárica 20, en el que el sistema se emplea el algoritmo de velocidad-Verlet 20 para predecir las trayectorias de los átomos. Utilizar tanto "NVT arreglo" y "run" comandos para configurar una velocidad de enfriamiento de 3 K / PSEC para el proceso de recocido.
    5. Utilice el comando "paso de tiempo" para establecer un intervalo de tiempo de 0,2 fs como la integración en el tiempo.
    6. Use "arreglar la pared / reflejar" comando para adoptar una pared reflejada para limitar el grado de libertad (5.3.2).
    7. Use "región" y "grupo" para dividir el sustrato en diferentes capas de control (5.4.3): capa átomo newtoniana, una capa de control térmico, y una capa inferior fijo, que puede ser configurado mediante el uso de "NVE arreglo", " NVT arreglar ", y" arreglar comandos setforce ", respectivamente.
    8. Use "región" y "create_atoms" comandos para crear una sonda esférica.
    9. Utilice el comando "arreglo movimiento», para incrustar la monocapa de C84 en el sustrato (5.4.2) y mover la sonda durante la simulación (5.5.2).
    10. Utilice el comando "Ejecutar" para realizar la simulación de MD.
    11. Utilizar "fuerza de cómputo" (5.6.1) y "estrés de cálculo / átomo" (5.6.4) comandos para evaluar el estrés y la sangría de fuerza atómica.
      NOTA: En lo que sigue, excepto la estructura que se establece, todos los pasos se llevaron a cabo por el guión LAMMPS.
  2. Utilice circuito de habilitación y OVITO a la preparación de silicio (111) 7 x 7 Superficie.
    1. Activar el software circuito de habilitación. Haga clic en el botón "buscar". se presenta "criterios de búsqueda" panel. Eligió sustrato de Si, el tipo elemental, estructura reconstruida, elec semiconductores, enrejado de diamante, 111 rostro y 7 x 7 patrón. Haga clic en los botones "Buscar" y "Aceptar". se presenta "Lista de estructuras" panel. Haga clic en la estructura deseada (es decir, Si (111) 7 x 7). Haga clic en el botón "Archivo". Guarde el archivo como la coordinación .xyz archivo.
      NOTA: Se señala que la estructuralla base de datos extraídos de circuito de habilitación no es lo suficientemente grande para nuestra simulación sangría. Como resultado, se reconstruye un sustrato más grandes y gruesas por las siguientes etapas.
    2. Activar el software OVITO. Cargar el archivo en .xyz OVITO. Utilice el comando "Slice" para capturar una supercélula del Si (111) 7 x 7 superficie con tamaño de 26.878 x 46.554 Å 2 en x y la dirección y. Exportar el archivo de datos. Utilice el comando "Slice" para capturar una supercélula del sustrato inferior Si (111) con un tamaño de 26.878 x 46.554 x 9,7 Å 3. Use "Mostrar imágenes periódicas" comando para duplicar la supercélula 12 veces en la dirección z. Exportar el archivo de datos.
    3. Combinar los archivos de datos de Si (111) 7 x 7 de la superficie y el Si (111) modelos de sustrato por Notepad ++ (un editor de código fuente libre). Por último, cargar los datos combinados en OVITO. Use "Mostrar imágenes periódicas" para duplicar una supercélula 5 x 3 en direcciones x e y para agrandar el tamaño del sustrato.
    4. Utilice LAMMPS para llevar a cabo un 20 PSECtiempo de simulación de MD para relajar el modelo de simulación. A continuación, lleve a cabo un proceso de enfriamiento de 1.550 K a temperatura ambiente durante 500 tiempo de simulación PSEC. Por último, realice un tiempo de simulación 10 PSEC para el proceso de relajación final.
  3. Preparación de C 84 fullereno monocapa
    1. Descargar el archivo de la coordinación de la estructura optimizada de C 84 fullereno de la banda 21 y escribir un programa FORTRAN para replicar 49 C 84 fullerenos dispuestos en una estructura de nido de abeja.
    2. Utilice LAMMPS de configurar reflejan paredes sobre y por debajo de la monocapa de C 84 para asegurar que las moléculas permanezcan en un plan. Realice un tiempo de simulación MD de 200 PSEC para relajar el modelo de simulación. A continuación, lleve a cabo un proceso de enfriamiento de 700 K a temperatura ambiente para obtener un estado mínimo glob de tiempo de simulación 500 PSEC. Por último, realizar un tiempo de simulación 10 PSEC para el proceso de relajación final.
  4. Establecer la IndentaModelo de la C 84 fullereno monocapa sobre silicio (111) 7 x 7 Superficie.
    1. Escribir un código FORTRAN para sentar la monocapa C 84 en el Si (111) 7 x 7 la superficie con la distancia de 3 Å a establecer el modelo de indentación.
    2. Utilice LAMMPS para incrustar la monocapa C 84 en el sustrato con una profundidad de 2 ~ 3 Å. A continuación, ejecute un tiempo de simulación 40 PSEC para la relajación del sistema. Finalmente, recocer el sistema a temperatura ambiente.
    3. Divida el sustrato de silicio en una capa superior newtoniana átomo, una capa de control térmico, y una capa inferior fijo, que son 0,7, 2, y 5,3 nm de espesor, respectivamente. Las monocapas C 84 también se modelaron como un átomo newtoniana.
  5. Proceso de sangría de MD
    1. Utilice LAMMPS para crear una sonda esférica con 5 nm de diámetro en el 84 / Si el modo de superficie C (111) 7 x 7 (Figura 5). La sonda se fija como un cuerpo rígido. Especificar una velocidad constante de 10 m / seg en la probe a moverse hacia abajo hacia la muestra en el proceso de sangría.
    2. Mover la sonda hacia abajo a la muestra a una velocidad constante hasta que la profundidad de carga específico (es decir, incluyendo los casos de 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20 y 30 Å a fin de explorar el efecto de la C 84 fullerenos monocapa sobre el sustrato de Si, donde el tamaño de C 84 fullereno es 11 Å) en el proceso de carga. Mantenga la sonda en el sustrato en el proceso de sujeción para permitir la relajación de los átomos. Por último, extraer la sonda desde el sustrato a una velocidad constante en el proceso de retracción.
  6. Cálculo y análisis
    1. Calcular la fuerza de indentación sumando la fuerza vertical de los átomos en la sonda de acuerdo con las siguientes fórmulas:
      Ecuación (1)
    2. Extraído el módulo reducido y la rigidez de la curva de fuerza-distancia de sangría. Sobre la base de Oliver y Pharr & #39; s método 22, una relación lineal se pueden derivar entre el módulo de Young y la rigidez de descarga. La rigidez (es decir, la pendiente de la porción inicial) de la curva de descarga se define como
      Ecuación (2)
      donde P, h, A, E y R son la carga de indentación, el desplazamiento elástico de la sonda, área proyectada de la indentación, y módulo reducido. β (= 1 para penetrador circular) es el factor de modificación de la forma. La relación entre el módulo reducida y el módulo de Young se puede escribir como
      Ecuación (3)
      donde E y V son el módulo de Young y el coeficiente de Poisson para el espécimen y E i y v i son el módulo de Young y el coeficiente de Poisson para el penetrador.
    3. Se calcula la dureza por la definición de H = P max / A, donde P max y A son la fuerza máxima y la sangría área proyectada de la sonda.
    4. Calcular el estrés atómica virial 22 en el m plano del sustrato en la dirección x n por
      Ecuación (4)
      donde m i es la masa del átomo i; Ecuación y Ecuación son las componentes de la velocidad de átomo de i en el m - y n -INSTRUCCIONES, respectivamente; V i es el volumen asignado alrededor átomo i; N s es el número de partículas contenidas dentro de la región S, donde S se define como la región de interacción atómica ; Φ (r ij) es la función potencial; r ij es la distancia entre los átomos i y y Ecuación son el m - y n -Dirección componentes del vector del átomo i al átomo j.
    5. Utilice OVITO para mostrar la cepa von-Mises de cada invariante átomo de acuerdo con las siguientes fórmulas:
      Ecuación (5)

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Representative Results

Una monocapa de C 84 moléculas en una (111) de superficie desordenada Si se fabricó utilizando un proceso de autoensamblaje controlado en una cámara UHV Figura 1 muestra una serie de imágenes topográficas medidos por UHV-STM con varios grados de cobertura:. (A) 0,01 ML, (b) 0.2 ML, (c) 0,7 ML, y (d) 0,9 ML. Las propiedades electrónicas y ópticas del sustrato de Si incrustado C 84 también se investigaron mediante una variedad de técnicas de análisis de superficies, tales como STM y PL (Figura 2). Las excelentes propiedades del material de las muestras resultantes demuestran cómo la nanotecnología puede utilizarse para el control de la materia a nano-átomos y de las escalas. Los MFM y el calamar resultados en la Figura 3 muestran el magnetismo superficie del sustrato 84 C incorporado. La Figura 4 presenta los resultados de UHV-AFM que se refieren a los nanomecánica de sustrato propuesto. Nuestros resultados experimentales demuestran el potencial de la C 84 la Figura 4).

En la sección de simulación, todos los procedimientos se realizan mediante el uso de LAMMPS para realizar las simulaciones MD. Las propiedades mecánicas (fuerza de indentación y el estrés de contacto) del sustrato incrustado fullereno se calculan y se muestran en la Figura 6. El análisis de las cepas von Mises de átomos de diferente paso de tiempo se utilizan para caracterizar la deformación local. Las instantáneas correspondientes como una función de la profundidad de indentación se pueden ver en las piezas de inserción de la figura 6, que se calcularon y se visualizaron por OVITO. Los resultados de la fuerza de indentación como una función de la profundidad de indentación se utilizan para calcular la dureza H (Figura 7a), la reducción de módulo de E <sub> r (Figura 7b), y la carga de la rigidez S (Figura 8) de la monocapa C 84. Los resultados se pueden comparar con el determinado por el experimento y proporciona una más punto de vista detallada de interpretar la variación de la propiedad mecánica.

Figura 1
Figura 1: C 84 sustrato de Si Embedded con cobertura diferente de la serie de MCI imágenes topográficas (40 x 40 nm 2) que muestra C 84 moléculas adsorbidas sobre Si (111) de superficie en un sesgo muestra negativa de 2 V, según lo medido por UHV-STM. con diversos grados de cobertura: (a) 0,01 ML, (b) 0.2 ML, (c) 0,7 ML, y (d) 0,9 ML.

Figura 2
Figura 2: Propiedades electrónicas mediciones en C 84 Embedded sustrato de Si (a) curvas IV y diferencial de la conductancia derivado (dI / dV) vs la curva de tensión de una sola capa auto-ensamblado de C 84, según lo determinado por UHV-STM. ; (B) emisión de campo densidad de corriente frente a la curva del campo eléctrico; (C) correspondiente trama FN de la superficie con C embebido 84, como se mide utilizando una unidad de fuente de medida; (D) Espectro de fotoluminiscencia de una sola capa auto-ensamblado de C 84. Vuelva a imprimir con permiso de referencia 12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3: magnetismo de la superficie en C 84 Embedded sustrato de Si (a) imagen MFM sustrato de Si incrustado con C 84.; (B) de bucle de magnetización representa frente a campo magnético externo Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4: investigación nanomecánicas en C 84 Embedded sustrato de Si el análisis de la Fuerza distancia de la superficie de Si desordenada, 7 x 7 de la superficie, de una sola capa auto-ensamblado de C 84 embebido dentro de la superficie de Si, y la superficie de Si, como se determinó a través de UHV-AFM.. Vuelva a imprimir con permiso de referencia 11. Haga clic aquípara ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5: Diagrama de flujo para el establecimiento de modelos de simulación La dramática ilustran el ajuste en la simulación MD de una sola capa C 84 y Si (111) 7 x 7 la superficie a una monocapa C 84 incrustar en Si (111) 7 x 7 modelo.. Los procedimientos de detalle se puede ver en la sección 5 del protocolo. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6: fuerza de sangría y análisis de tensiones de contacto vigor sangría (negro) y el contacto estrés (azul) de C 84 en función de la profundidad de la huella.. insercionesmostrar las instantáneas correspondientes, en los que los diferentes colores indica la tensión de von Mises correspondiente VM) de todos los átomos. Para borrar mostrar la localización de la deformación, sólo los átomos con ε> 0,08 VM se muestran en la instantánea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7:.. La dureza y módulo de análisis reducida (a) Dureza y (b) la variación del módulo reducido en función de la profundidad de penetración de la monocapa C 84 en la superficie de Si Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 8: Análisis de la rigidez Cargando. Cargando la rigidez como una función de la distancia determinada por simulaciones MD en comparación con la de los experimentos de AFM para C 84 / Si. Modificado de la referencia 16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

En este estudio, hemos demostrado la fabricación de una monocapa auto-ensamblado de C 84 en un sustrato de Si a través de un novedoso proceso de recocido (Figura 1). Este proceso también se puede utilizar para preparar otros tipos de sustratos semiconductores de nanopartículas embebido. El C 84 -embedded sustrato de Si se caracterizó a escala atómica utilizando UHV-STM (Figura 2), el espectrómetro de emisión de campo, la espectroscopia de fotoluminiscencia, MFM y SQUID (Figura 3).

La fuerza de adhesión correspondiente a propiedades nanomecánicos (es decir, la tensión) de la C 84 -embedded sustratos de Si pueden medirse utilizando AFM (Figura 4). Nuestros resultados demuestran que la dureza de la C propuesto 84 -embedded sustrato de Si es comparable a la de las superficies de SiC y Si, por lo que es aplicable como un material abrasivo para herramientas, así como una película en dispositivos MEMS de corte.

jove_content "> En la sección de simulación, el análisis de la cepa von Mises VM) es capaz de detectar la deformación local de la estructura atómica, que es muy difícil de ser observado en el experimento. Sin embargo, no es posible caracterizar la transformación de fase. Aquí, nos sugieren algunos índices útiles, tales como número de coordinación y el índice de HA 23 para examinar la transformación de fase. en el ajuste del modelo de indentación, tenemos que señalar que el tamaño del sustrato en la dirección plan debe ser al menos tres veces más grande que el diámetro de la sonda para eliminar el efecto del tamaño y la condición de limitación de fronteras, lo que afectaría a la dinámica y el flujo de la fuerza de los átomos.

Además, debido al límite de tiempo de la simulación MD, para estudiar el proceso de sangría, la sonda debe ejercer la muestra con una velocidad muy rápida en comparación a la del experimento. Observamos que tal velocidad de carga es demasiado alto para salir del largo tiempo enOMIC difusión y migración de comportamiento, pero todavía está en condiciones de observar y describir las propiedades de comportamiento de deformación y materiales de plástico bajo carga mecánica 24, porque los resultados pueden ser reconocidos como unos cuasi-estática en la naturaleza 25. Una teoría alternativa, llamada la dinámica de réplica paralelas (PRD) 26, ha sido desarrollado para acelerar considerablemente el tiempo de simulación, pero requiere recursos informáticos pesados.

Los datos obtenidos del estudio de simulación MD está de acuerdo con el experimento AFM indentación (Figura 8); Además, la dureza y módulo reducido de la C 84 -embedded sustrato de Si son comparables a otros sustratos de Si. Estos datos sugieren que el C 84 -embedded sustratos de Si puede tener un impacto significativo en optoelectrónica y diluir semiconductores magnéticos nanodispositivos (DMS).

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

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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