Зондирование C<sub> 84</sub> -вложено Si подложки с помощью сканирующей зондовой микроскопии и молекулярной динамики
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
Abstract
В данной работе сообщается массив разработанный C 84 -вложено кремниевой подложки , изготовленных с использованием контролируемого метода самосборки в сверхвысоком вакуумной камере. Характеристики С 84 -вложено поверхности Si, например с атомным разрешением рельефа, локальной электронной плотности состояний, полосы энергетической щели, эмиссионные свойства поля, наномеханического жесткости и поверхностного магнетизма, были изучены с использованием различных методов анализа поверхности под ультра, высокий вакуум (СВВ) условий, а также в атмосферной системе. Экспериментальные результаты демонстрируют высокую однородность С 84 -вложено Si поверхности изготовлены с использованием контролируемого механизма самосборки нанотехнологической, представляет собой важное событие в области применения дисплея полевой эмиссии (FED), изготовление оптико – электронных устройств, МЭМС режущих инструментов, а также в усилиях чтобы найти подходящую замену для твердосплавных полупроводников. Метод молекулярной динамики (МД) с полуэмпирическом потенциалом можно бе используется для изучения наноиндентирование С 84 -вложено кремниевой подложки. Подробное описание для выполнения МД моделирования представлена здесь. Детали для всестороннего изучения на механическом анализе МД моделирования, такие как отступа силы, модуль Юнга, поверхностная жесткость, атомно-стресс и атомной деформации включены. Атомные напряжений и деформаций фон-Мизеса распределения модели отступа можно рассчитать, чтобы контролировать механизм деформации с оценкой времени в атомистической уровне.
Introduction
Молекулы фуллеренов и композиционные материалы , которые они содержат являются отличительными среди наноматериалов из – за их превосходных структурных характеристик, электронная проводимость, механическая прочность, и химические свойства 1-4. Эти материалы оказались весьма полезными в самых разных областях, таких как электроника, компьютеры, технологии топливных элементов, солнечных батарей и технологии излучения поля 5,6.
Среди этих материалов, карбид кремния (SiC) с наночастицами композиты Особое внимание было уделено благодаря их широкой запрещенной зоной, высокой теплопроводностью и стабильностью, высокой электрической способности пробоя и химической инертности. Эти преимущества особенно очевидны в оптико-электронных приборов, металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов (MOSFET), светоизлучающие диоды (СИД) и высокой мощности, высокочастотные, и высокотемпературных применений. Тем не менее, дефекты высокой плотности обычно наблюдаются на поверхности CONVENTIнальная карбид кремния может оказывать вредное воздействие на электронную структуру, даже приводя к отказу 7,8 устройства. Несмотря на то, что применение карбида кремния было изучено с 1960 года, эта конкретная нерешенной проблема остается.
Целью данного исследования было изготовление из C 84 -вложено гетеропереход подложки Si и последующий анализ , чтобы получить полное представление электронных, оптико – электронных, механических, магнитных и полевых эмиссионных свойств полученных материалов. Мы также рассмотрели вопрос использования численного моделирования для прогнозирования характеристик наноматериалов, с помощью нового применения расчетов молекулярной динамики.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данном исследовании мы демонстрируем изготовление в самоорганизующейся монослоя C 84 на подложке Si через новый способ отжига (рисунок 1). Этот процесс также может быть использован для получения других видов наночастиц встраиваемый полупроводниковых подложек. C 84</…
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).
