Probing C<sub> 84</sub> -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och Molecular Dynamics
Summary
This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.
Abstract
Detta dokument redovisar en array utformad C 84 -embedded Si-substrat tillverkas med användning av en kontrollerad självorganisering metod i en ultrahög vakuumkammare. Egenskaperna hos C 84 -embedded Si yta, såsom atomär upplösning topografi, lokal elektronisk tillståndstäthet, bandgap energi, fältemissionsegenskaper, nanomechanical stelhet och yta magnetism, undersöktes med hjälp av olika ytan analystekniker i ultra, högvakuum (UHV) villkor samt i en stämningssystemet. Experimentella resultat visar den höga likformigheten i C 84 -embedded Si yta tillverkas med användning av en kontrollerad självorganisering nanoteknik mekanism utgör en viktig utveckling i tillämpningen av fältemission display (FED), optoelektronisk enhet tillverkning, MEMS skärverktyg, och i arbetet att hitta en lämplig ersättare för hårdmetall halvledare. Molekyldynamik metod med semi-empirisk potential (MD) kan be användas för att studera nanoindentation C 84 -embedded Si-substrat. En detaljerad beskrivning för att utföra MD simulering presenteras här. Mer information om en omfattande studie på mekanisk analys av MD simulering såsom indrag kraft Youngs modul, yta stelhet, atom stress och atom stam ingår. Atom stress och von-Mises stam fördelningar av indraget modell kan beräknas att övervaka deformation mekanism med tiden utvärdering atomistiskt nivå.
Introduction
Fullerenmolekyler och kompositmaterial innefattar de är utmärkande bland nanomaterial på grund av deras utmärkta strukturella egenskaper, elektronisk ledningsförmåga, mekanisk hållfasthet, och kemiska egenskaper 1-4. Dessa material har visat sig vara mycket fördelaktigt i en rad olika områden, såsom elektronik, datorer, bränslecellsteknik, solceller, och fältemissionsteknik 5,6.
Bland dessa material har kiselkarbid (SiC) nanopartiklar kompositer fått särskild uppmärksamhet tack vare deras breda bandgap, hög värmeledningsförmåga och stabilitet, hög elektrisk fördelning förmåga och kemisk tröghet. Dessa fördelar är särskilt tydligt i optoelektroniska enheter, metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFET), lysdioder (LED), och hög effekt, hög frekvens, och höga temperaturer. Emellertid höga defekter densitet observeras vanligen på ytan av ConventiOnal kiselkarbid kan ha skadliga effekter på den elektroniska strukturen, även leder till enheten fel 7,8. Trots det faktum att tillämpningen av SiC har studerats sedan 1960, förblir detta speciella olöst problem.
Syftet med denna studie var tillverkningen av en C 84 -embedded Si-substrat hetero och efterföljande analys för att få en övergripande förståelse av de elektroniska, optoelektroniska, mekaniska, magnetiska och fältemissionsegenskaper hos de erhållna materialen. Vi tog även upp frågan om att använda numerisk simulering för att förutsäga egenskaper hos nanomaterial, genom den nya tillämpningen av molekyldynamikberäkningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie visar vi framställning av ett självmonterat monoskikt av C 84 på ett Si-substrat genom en roman glödgningsprocessen (Figur 1). Denna process kan även användas för att framställa andra typer av nanopartikelinbäddade halvledarsubstrat. C 84 -embedded Si-substrat präglades på atomär skala med hjälp av UHV-STM (Figur 2), fältemissionsspektrometer, luminiscens spektroskopi, MFM och SQUID (Figur 3).
<p class="jove_c…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).
