sondering C<sub> 84</sub> -embedded Si Underlag Brug Scanning Probe Microscopy og Molecular Dynamics
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
Abstract
Dette papir rapporterer et array-designet C 84 -embedded Si substrat fremstillet ved hjælp en kontrolleret selvsamlende metode i et ultrahøjt vakuum kammer. Egenskaberne ved C 84 -embedded Si overflade, såsom atomar opløsning topografi, lokale elektroniske tæthed af stater, båndmellemrumenergi, felt emissionsegenskaber, nanomekaniske stivhed, og overfladen magnetisme, blev undersøgt ved anvendelse af forskellige overfladeaktive analyseteknikker under ultra, høj vakuum (UHV) forhold samt i en atmosfærisk system. Eksperimentelle resultater viser den høje ensartethed af C 84 -embedded Si overflade fremstillet ved hjælp en kontrolleret selv-samling nanoteknologi mekanisme, udgør en vigtig udvikling i anvendelsen af feltet emission display (FED), optoelektroniske enhed fabrikation, MEMS skæreværktøjer, og i bestræbelserne at finde en egnet erstatning for hårdmetal halvledere. Molekylær dynamik (MD) metode med semi-empiriske potentiale kan be anvendt til at undersøge nanoindentation af C 84 -embedded Si substrat. En detaljeret beskrivelse til udførelse MD simulering præsenteres her. Detaljer for en omfattende undersøgelse af mekanisk analyse af MD simulering såsom indrykning kraft, Youngs modul, overflade stivhed, atomare stress, og atomare belastning er inkluderet. De atomare stress og von-Mises stamme fordelinger af indrykningen model kan beregnes til at overvåge deformation mekanisme med tiden evaluering i atomistiske niveau.
Introduction
Fulleren molekyler og de kompositmaterialer, de omfatter, er karakteristisk blandt nanomaterialer på grund af deres fremragende strukturelle karakteristika, elektronisk ledningsevne, mekanisk styrke, og kemiske egenskaber 1-4. Disse materialer har vist sig yderst gavnlig i en række områder, som elektronik, computere, brændselscelleteknologi, solceller og felt emission teknologi 5,6.
Blandt disse materialer, har siliciumkarbid (SiC) nanopartikler kompositter modtaget særlig opmærksomhed takket være deres brede båndgab, høj varmeledningsevne og stabilitet, høj elektrisk sammenbrud evne, og kemisk stabilitet. Disse fordele er særlig tydelig i optisk udstyr, metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET), lysemitterende dioder (LED), og høj effekt, højfrekvente, og høj temperatur applikationer. Imidlertid høje defekter densitet almindeligvis observeret på overfladen af Conventional siliciumcarbid kan have skadelige virkninger på den elektroniske struktur, selv fører til fiasko 7,8 enhed. Trods det faktum, at anvendelsen af SiC er blevet undersøgt siden 1960, denne særlige uløst problem tilbage.
Formålet med denne undersøgelse var fremstillingen af en C 84 -embedded Si substrat heterojunction og efterfølgende analyse for at opnå en samlet forståelse af de elektroniske, optoelektroniske, mekaniske, magnetiske, og felt emission egenskaber af de resulterende materialer. Vi drøftede også spørgsmålet om at bruge numerisk simulering til at forudsige egenskaber nanomaterialer, gennem romanen anvendelse af molekylære dynamik beregninger.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse udviser vi fremstilling af et selv-samlet monolag af C 84 på en Si-substrat gennem en hidtil ukendt annealing proces (figur 1). Denne proces kan også anvendes til fremstilling af andre former for nanopartikler-embedded halvledersubstrater. C 84 -embedded Si substrat blev karakteriseret ved atomar skala hjælp UHV-STM (figur 2), felt emission spektrometer, fotoluminans spektroskopi, MFM og blæksprutter (figur 3).
<…Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
