גשוש C<sub> 84</sub> -embedded Si המצע באמצעות סריקת בדיקה מיקרוסקופית דינאמיקה מולקולארית
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
Abstract
מאמר זה מדווח מערך מעוצב C 84 -embedded מצע Si מפוברק באמצעות שיטה להרכבה עצמית מבוקרת בתא ואקום אולטרה-גבוה. המאפיינים של C 84 -embedded משטח Si, כגון טופוגרפיה ברזולוציה אטומית, צפיפות אלקטרונית מקומית של מדינות, פער אנרגית להקה, תכונות פליטת שדה, נוקשות nanomechanical, ומגנטיויות שטח, נבחנו באמצעות מגוון של טכניקות ניתוח שטח תחת אולטרה, ואקום גבוה (UHV) תנאים וכן מערכת אטמוספרי. תוצאות ניסויים להדגים את האחידות הגבוהה של C 84 -embedded Si משטח מפוברק באמצעות מנגנון ננוטכנולוגיה הרכבה עצמית מבוקר, מייצג התפתחות חשובה ביישום של תצוגת פליטת שדה (FED), ייצור מכשיר אופטו, MEMS כלי חיתוך, ובמאמצים כדי למצוא תחליף מתאים מוליכים למחצה קרביד. דינאמיקה מולקולארית (MD) שיטה עם פוטנציאל למחצה אמפירי יכול בדואר לשמש כדי לחקור את nanoindentation של 84 C -embedded מצע Si. תיאור מפורט לביצוע סימולציה MD מוצג כאן. פרטים על מחקר מקיף על ניתוח מכאני של סימולצית MD כגון כוח זח, מודולוס של יאנג, קשיחות משטח, לחץ אטומי, ומתח אטום כלולים. הלחץ האטומי ומתח פון-מיזס הפצות של מודל הכניסה ניתן לחשב לפקח מנגנון דפורמציה עם הערכת זמן ברמת האטומיסטית.
Introduction
מולקולות פולרן ואת החומרים מרוכבים הם מהווים הם ייחודיים בין ננו בשל המאפיינים המבניים שלהם מעולים, מוליכות אלקטרוניות, חוזק מכאני, ועל תכונות כימיות 1-4. חומרים אלה הוכיחו תועלת רבה במגוון תחומים, כגון אלקטרוניקה, מחשבים, טכנולוגיית תא דלק, תאים סולריים, וטכנולוגית פליטת שדה 5,6.
בין החומרים הללו, סיליקון קרביד (SiC) מרוכבים ננו-חלקיקים קבלו בזכות תשומת לב מיוחדת הפער בפס הרחב שלהם, מוליכות תרמית גבוהות ויציבות, יכולת פריצה החשמלית גבוהה, אדישות כימית. יתרונות אלה הם ברורים במיוחד התקנים אופטו, טרנזיסטורים אפקט שדה metal-oxide-מוליכים למחצה (MOSFET), דיודות פולטות אור (LEDs), ו-עוצמה גבוהה, בתדירות גבוהה, ויישומים בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, פגמי צפיפות גבוהים נפוצים שנצפו על פני השטח של conventiסיליקון קרביד onal יכול להיות השפעה מזיקה על המבנה האלקטרוני, אפילו מוביל לכישלון מכשיר 7,8. למרות העובדה כי הבקשה של SiC נחקרה מאז 1960, בעיה לא פתורה המסוים הזה נשאר.
מטרת המחקר הנוכחי הייתה ההמצאה של C 84 -embedded heterojunction מצע Si וניתוח שלאחר מכן להשיג הבנה מקיפה של אלקטרוניים, אופטו, מכאני, מגנטי, ועל מאפייני פליטה בתחום החומרים וכתוצאה מכך. אנחנו גם התייחסנו לסוגיית באמצעות סימולציה נומרית לחזות את המאפיינים של ננו, דרך יישום הרומן של חישובי דינאמיקה מולקולארית.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, אנו מדגימים את הייצור של monolayer עצמית התאסף של 84 C על מצע Si באמצעות תהליך חישול רומן (איור 1). תהליך זה יכול לשמש גם כדי להכין סוגים אחרים של מצעים מוליכים למחצה מוטבע ננו-חלקיקים. ה- C 84 -embedded המצע Si התאפיין ברמה האטומית באמצעות UHV-STM (אי…
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).
