sondagem C<sub> 84</sub> -embedded Si substrato utilizando Scanning Probe Microscopy e Dinâmica Molecular
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
Abstract
Este artigo relata um conjunto concebido C 84 -embedded substrato de Si fabricados usando um método de auto-montagem controladas em uma câmara de vácuo ultra-alta. As características do C 84 -embedded superfície Si, tais como uma topografia atômica resolução, densidade eletrônica local dos estados, energia da banda, propriedades de emissão de campo, rigidez nanomechanical, e magnetismo de superfície, foram examinados usando uma variedade de técnicas de análise de superfície sob ultra, alto vácuo (UHV) condições, bem como num sistema atmosférica. Resultados experimentais demonstram a alta uniformidade do 84 C -embedded Si superfície fabricados usando um mecanismo de nanotecnologia auto-montagem controlada, representa um importante desenvolvimento na aplicação de exibição de emissão de campo (FED), fabricação de dispositivos optoeletrônicos, MEMS ferramentas de corte, e nos esforços para encontrar um substituto adequado para semicondutores de metal duro. dinâmica molecular método (MD), com potencial semi-empírica pode be usadas para estudar a nanoindentação de C 84 -embedded substrato de Si. Uma descrição detalhada para a realização de simulação MD é aqui apresentada. Detalhes de um estudo abrangente sobre análise mecânica de simulação MD, tais como força de recuo, o módulo de Young, a rigidez da superfície, estresse atômica, e tensão atômica estão incluídos. As distribuições de tensões e deformações von Mises-atômicas do modelo recuo pode ser calculado para monitorar mecanismo de deformação com avaliação de tempos no nível atomística.
Introduction
Moléculas de fulereno e os materiais compósitos que compreendem são distintos entre os nanomateriais, devido às suas características estruturais excelentes, condutividade eletrônica, resistência mecânica, e as propriedades químicas 1-4. Estes materiais têm provado altamente benéfico em uma variedade de campos, tais como eletrônicos, computadores, tecnologia de células de combustível, células solares, e tecnologia de emissão de campo 5,6.
Entre estes materiais, carboneto de silício (SiC) compósitos de nanopartículas têm recebido especial atenção graças à sua lacuna de banda larga, de alta condutividade térmica e estabilidade, alta capacidade avaria elétrica e inércia química. Estes benefícios são particularmente óbvio em dispositivos optoeletrônicos, metal-oxide-semiconductor de efeito de campo de transistores (MOSFET), diodos emissores de luz (LEDs), e de alta potência, de alta frequência, e aplicações de alta temperatura. No entanto, os defeitos de alta densidade comumente observados na superfície de Conventicarboneto de silício onal pode ter efeitos prejudiciais sobre a estrutura eletrônica, mesmo levando à falha do dispositivo 7,8. Apesar do fato de que a aplicação de SiC tem sido estudada desde 1960, este problema não resolvido em particular permanece.
O objetivo deste estudo foi a fabricação de uma C 84 -embedded heterojunction substrato de Si e análise posterior para obter uma compreensão abrangente das propriedades de emissão eletrônica, optoeletrônicos, mecânico, magnético, e de campo dos materiais resultantes. Nós também abordou a questão do uso de simulação numérica para prever as características dos nanomateriais, através da nova aplicação de cálculos de dinâmica molecular.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste estudo, demonstra a fabricação de uma monocamada auto-montada de 84 C sobre um substrato de Si através de um novo processo de recozimento (Figura 1). Este processo também pode ser usado para preparar outros tipos de substratos semicondutores embebidos em nanopartículas. A C 84 -embedded substrato de Si foi caracterizado na escala atômica utilizando UHV-STM (Figura 2), espectrômetro de emissão de campo, espectroscopia de fotoluminescência, MFM e…
Divulgaciones
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 |
Referencias
- 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).
