Summary

Verifiserer C<sub> 84</sub> -embedded Si underlaget med Scanning Probe Mikroskopi og Molecular Dynamics

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

Dette papiret rapporterer en rekke utformet C 84 -embedded Si substrat fabrikkert ved hjelp av en kontrollert selvbygging metode i en ultrahøy vakuumkammeret. Egenskapene til C 84 -embedded Si overflate, for eksempel atom oppløsning topografi, lokale elektroniske tilstandstetthet, band gap energi, feltemisjonsegenskaper, nanomechanical stivhet, og overflaten magnetisme, ble undersøkt ved hjelp av en rekke overflateanalyseteknikker i henhold ultra, høyt vakuum (UHV) forhold samt i en atmosfærisk system. Eksperimentelle resultater viser den høye jevnhet C 84 -embedded Si overflate fremstille ved hjelp av en kontrollert selv-sammenstillingen nanoteknologi mekanisme, representerer en viktig utvikling i anvendelsen av feltavgivende skjerm (FED), optoelektroniske enhet fabrikasjon, MEMS skjærende verktøy, og i arbeidet å finne en passende erstatning for karbid halvledere. Molekylær dynamikk (MD) metode med semi-empiriske potensiale kan be brukt for å studere den nanoindentation av C-84 -embedded Si-substrat. En detaljert beskrivelse for å utføre MD simulering er presentert her. Detaljer for en omfattende studie på mekanisk analyse av MD simulering som innrykk kraft, Youngs modul, overflate stivhet, atom stress, og atom belastning er inkludert. Atom stress og von-Mises belastningsskader distribusjoner av innrykk modellen kan beregnes til å overvåke deformasjon mekanisme med tiden evaluering i atomistisk nivå.

Introduction

Fulle molekyler og komposittmaterialer de utgjør er karakteristiske blant nanomaterialer på grunn av sine gode strukturelle egenskaper, elektronisk ledningsevne, mekanisk styrke, og kjemiske egenskaper 1-4. Disse materialene har vist seg svært nyttig i en rekke felt, for eksempel elektronikk, datamaskiner, brenselcelleteknologi, solceller, og feltutslippsteknologi 5,6.

Blant disse materialene, har silisiumkarbid (SiC) nanopartikkel kompositter fått spesiell oppmerksomhet takket være sitt brede band gap, høy varmeledningsevne og stabilitet, høy elektrisk sammenbrudd evne, og kjemisk treghet. Disse fordelene er spesielt tydelig i optiske enheter, metall-oksid-halvleder felteffekttransistorer (MOSFET), lysdioder (LED), og høy effekt, høy frekvens, og høye temperaturer. Imidlertid mangler med høy tetthet som vanligvis observeres på overflaten av Conventional silisiumkarbid kan ha skadelige effekter på den elektroniske struktur, selv fører til enheten svikt 7,8. Til tross for det faktum at anvendelsen av SiC har blitt studert siden 1960, og dette spesielle uløst problem gjenstår.

Målet med denne studien var fabrikasjon av en C 84 -embedded Si substrat hetero og påfølgende analyse for å få en helhetlig forståelse av de elektroniske, optiske, mekaniske, magnetiske, og feltemisjonsegenskaper av de resulterende materialer. Vi tok også opp spørsmålet om bruk av numerisk simulering for å forutsi egenskapene til nanomaterialer, gjennom romanen anvendelse av molekylære dynamikk beregninger.

Protocol

MERK: Papiret gir en oversikt over metoder som benyttes i dannelsen av en selv-sammenstilt Fulle matrise på overflaten av et halvledende substrat. Spesielt presenterer vi en ny metode for utarbeidelse av en Fulle-embedded silisium substrat for bruk som et felt emitter eller substrat i mikroelektromekaniske systemer (MEMS), og optiske enheter i høy temperatur, høy effekt, programmer, så vel som i høy -frequency enheter 9-13. 1. Fabrikasjon av sekskantede-lukket-pakket (HCP) over…

Representative Results

Et monolag av C-84-molekyler på en uordnet Si (111) overflate ble fremstilt ved anvendelse av en kontrollert selv-sammenstillingen prosess i en UHV kammer Figur 1 viser en serie av topografiske bilde målt ved UHV-STM med varierende grad av dekning:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ML, (c) 0,7 ML, og (d) 0,9 ML. De elektroniske og optiske egenskapene til den C-84 innebygde Si-substrat ble også undersøkt ved anvendelse av forskjellige overflateanalyseteknikker, slik som STM og PL (f…

Discussion

I denne studien viser vi fremstilling av en selv-sammenstilt monolag av C 84 på et Si-substrat gjennom en ny utglødningsprosessen (figur 1). Denne fremgangsmåte kan også anvendes for å fremstille andre typer nanopartikkel-innebygde halvledersubstrater. C 84 -embedded Si substrat ble preget på atomært skala ved hjelp av UHV-STM (figur 2), felt utslipp spektrometer, foto-luminescens spektroskopi, MFM og blekksprut (figur 3).

<p class…

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

  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).
check_url/54235?article_type=t

Play Video

Cite This 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