probing C<sub> 84</sub> Ingebedde Si-substraat met behulp van Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
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.
Protocol
Representative Results
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).</stron…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the Ministry of Science and Technology of Taiwan, for their financial support of this research under Contract Nos. MOST-102-2923-E-492- 001-MY3 (W. J. Lee) and NSC-102- 2112-M-005-003-MY3 (M. S. Ho). Support from the High-performance Computing of Taiwan in providing huge computing resources to facilitate this research is also gratefully acknowledged.
Materials
| 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; 1074 TB storage |
References
- Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
- Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
- Margadonna, S., et al. Crystal Structure of the Higher Fullerene C84. Chem. Mater. 10, 1742-1744 (1998).
- 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).
- Lv, Z., Deng, Z., Xu, D., Li, X., Jia, Y. Efficient organic light-emitting diodes with C60 buffer layer. Displays. 30, 23-26 (2009).
- Tokunaga, K. On the difference in electronic properties between fullerene C60 and C60X2. Chem. Phys. Lett. 476, 253-257 (2009).
- 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).
- Neudeck, P. G., Powell, J. A. Performance limiting micropipe defects in silicon carbide wafers. IEEE Electron Device Lett. 15, 63-65 (1994).
- Huang, C. P., Su, C. C., Ho, M. S. Intramolecular Structures of C60 and C84 Molecules on Si(111)-7×7 Surfaces by Scanning Tunneling Microscopy. Appl. Surf. Sci. 254, 7712-7717 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ho, M. S., Huang, C. P. Method of forming self-assembled and uniform fullerene array on surface of substrate. US Patent. , (2015).
- Plimpton, S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J. Comp. Phys. 117, 1-19 (1995).
- 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).
- Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO- the Open Visualization Tool. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
- Tersoff, J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys. Rev. Lett. 56, 632 (1986).
- Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions. Journal of Chemical Physics. 112, 6472 (2000).
- Rapaport, D. C. . The Art of Molecular Dynamics Simulations. , (1997).
- 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).
- Honeycutt, J. D., Andersen, H. C. Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of Small Lennard-Jones Clusters. J. Phys. Chem. 91, 4950 (1987).
- Schulz, M. J., Kelkar, A. D., Sundaresan, M. J. . Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials. , 736 (2005).
- 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).
- 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).
