Summary

التحقيق C<sub> 84</sub> -embedded سي الركيزة عن طريق المجهر التحقيقي وحيوية الجزيئية

Published: September 28, 2016
doi:

Summary

This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.

Abstract

تعرض هذه الورقة مصفوفة تصميم C 84 -embedded سي الركيزة ملفقة باستخدام يسيطرون على طريقة التجميع الذاتي في فراغ الغرفة عالية جدا. خصائص C 84 -embedded سطح سي، مثل قرار تضاريس الذري، والكثافة الإلكترونية المحلية للدول، والفرقة فجوة الطاقة، خصائص الانبعاثات المجال، وصلابة ميكانيكية نانوية، والمغناطيسية السطح، درست باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات التحليل السطحي تحت فائقة، فراغ عالية (الفائق) الظروف وكذلك في نظام الغلاف الجوي. وتظهر النتائج التجريبية التوحيد عالية من C 84 -embedded سي سطح ملفقة باستخدام آلية التجميع الذاتي تكنولوجيا النانو التي تسيطر عليها، يمثل تطورا هاما في تطبيق عرض الانبعاثات الميدان (FED)، الضوئية تصنيع الجهاز، ممس أدوات القطع، وفي الجهود العثور على بديل مناسب لأشباه الموصلات كربيد. ديناميات الجزيئية (MD) طريقة مع إمكانية شبه التجريبية يمكن بالبريد المستخدمة لدراسة nanoindentation من C 84 -embedded سي الركيزة. وتقدم وصفا مفصلا لأداء MD محاكاة هنا. وترد تفاصيل عن دراسة شاملة عن التحليل الميكانيكي لمحاكاة MD مثل قوة المسافة البادئة، معامل يونغ، وصلابة السطح، والإجهاد الذري، والضغط الذري. ويمكن حساب توزيعات الضغط العصبي والتوتر فون ميزس-ذرية من طراز المسافة البادئة لمراقبة آلية التشوه مع تقييم الوقت في مستوى ذري.

Introduction

جزيئات الفلورين والمواد المركبة التي تتكون هي مميزة بين المواد متناهية الصغر بسبب الخصائص الهيكلية ممتازة، وتوصيل كهربي، والقوة الميكانيكية، والخواص الكيميائية 1-4. وقد أثبتت هذه المواد مفيد للغاية في عدد من المجالات، مثل الالكترونيات وأجهزة الكمبيوتر وتكنولوجيا خلايا الوقود، والخلايا الشمسية، وتكنولوجيا الانبعاثات الحقل 5،6.

ومن بين هذه المواد، وقد تلقى كربيد السيليكون (كذا) المركبة جسيمات متناهية الصغر خاصة الاهتمام بفضل من فجوة واسعة النطاق، والموصلية الحرارية العالية والاستقرار، وارتفاع القدرة انهيار الكهربائية، وهمود الكيميائية. هذه الفوائد واضحة لا سيما في الأجهزة البصرية الالكترونية والمعادن أكسيد أشباه الموصلات حقل التأثير الترانزستور (MOSFET)، الثنائيات الباعثة للضوء (LED)، والطاقة العالية، عالية التردد، وتطبيقات ارتفاع في درجة الحرارة. ومع ذلك، عيوب عالية الكثافة لاحظ عادة على سطح conventiاونال كربيد السيليكون يمكن أن يكون لها آثار ضارة على التركيب الإلكتروني، حتى يؤدي إلى فشل الجهاز 7،8. على الرغم من أن تطبيق كربيد تمت دراسته منذ عام 1960، لا تزال هذه المشكلة لم تحل معينة.

وكان الهدف من هذه الدراسة هو تلفيق من C 84 -embedded متغاير سي الركيزة وتحليلها لاحقا للحصول على فهم شامل لخصائص الانبعاثات الإلكترونية، والضوئية والميكانيكية والمغناطيسية، ومجال المواد الناتجة. تناولنا أيضا مسألة استخدام المحاكاة العددية للتنبؤ خصائص المواد متناهية الصغر، من خلال تطبيق الرواية من العمليات الحسابية ديناميات الجزيئية.

Protocol

ملاحظة: توضح الورقة الأساليب المستخدمة في تشكيل مجموعة الفوليرين الذاتي تجميعها على سطح الركيزة شبه الموصلة. على وجه التحديد، نقدم طريقة جديدة لإعداد الركيزة السيليكون جزءا لا يتجزأ من الفوليرين لاستخدامها بوصفها باعث الحقل أو الركيزة في النظم الميكروية (MEMS)، والأ?…

Representative Results

كانت ملفقة وأحادي الطبقة من C 84 الجزيئات على (111) سطح سي المختلين باستخدام عملية التجميع الذاتي للرقابة في غرفة الفائق الشكل 1 يبين سلسلة من الصور الطبوغرافية تقاس الفائق-STM مع درجة مختلفة من التغطية: (أ) 0.01 ML، (ب) 0.2 ML، (ج) 0.7 ML، و (د) 0.9 ML. وقد تم التحقيق خصائص ?…

Discussion

في هذه الدراسة، ونحن لشرح تصنيع أحادي الطبقة الذاتي تجميعها من C 84 على ركيزة سي من خلال عملية الصلب رواية (الشكل 1). ويمكن أيضا أن هذه العملية أن تستخدم لإعداد أنواع أخرى من ركائز أشباه الموصلات جزءا لا يتجزأ من جسيمات متناهية الصغر. وC 84 -embedded تم?…

Divulgations

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

  1. Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 318, 162-163 (1985).
  2. Zhu, Z. P., Gu, Y. D. Structure of carbon caps and formation of fullerenes. Carbon. 34, 173-178 (1996).
  3. Margadonna, S., et al. Crystal Structure of the Higher Fullerene C84. Chem. Mater. 10, 1742-1744 (1998).
  4. 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).
  5. Lv, Z., Deng, Z., Xu, D., Li, X., Jia, Y. Efficient organic light-emitting diodes with C60 buffer layer. Displays. 30, 23-26 (2009).
  6. Tokunaga, K. On the difference in electronic properties between fullerene C60 and C60X2. Chem. Phys. Lett. 476, 253-257 (2009).
  7. 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).
  8. Neudeck, P. G., Powell, J. A. Performance limiting micropipe defects in silicon carbide wafers. IEEE Electron Device Lett. 15, 63-65 (1994).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Ho, M. S., Huang, C. P. Method of forming self-assembled and uniform fullerene array on surface of substrate. US Patent. , (2015).
  14. Plimpton, S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J. Comp. Phys. 117, 1-19 (1995).
  15. 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).
  16. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO- the Open Visualization Tool. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  17. Tersoff, J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys. Rev. Lett. 56, 632 (1986).
  18. Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions. Journal of Chemical Physics. 112, 6472 (2000).
  19. Rapaport, D. C. . The Art of Molecular Dynamics Simulations. , (1997).
  20. 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).
  21. Honeycutt, J. D., Andersen, H. C. Molecular Dynamics Study of Melting and Freezing of Small Lennard-Jones Clusters. J. Phys. Chem. 91, 4950 (1987).
  22. Schulz, M. J., Kelkar, A. D., Sundaresan, M. J. . Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials. , 736 (2005).
  23. 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).
  24. 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).

Play Video

Citer Cet Article
Ho, M., Huang, C., Tsai, J., Chou, C., Lee, W. Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics. J. Vis. Exp. (115), e54235, doi:10.3791/54235 (2016).

View Video