Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics

Zusammenfassung

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

Zusammenfassung

Dieser Artikel berichtet ein Array gestaltete C ₈₄ -embedded Si Substrat mit einer kontrollierten Selbstorganisation Verfahren in einer Ultrahochvakuumkammer fabriziert werden. Die Eigenschaften des C ₈₄ -embedded Si - Oberfläche, wie atomarer Auflösung Topographie, lokale elektronische Zustandsdichte, Bandlückenenergie, Feldemissionseigenschaften, nanomechanische Steifigkeit und Oberflächenmagnetismus, wurden unter Verwendung einer Vielzahl von Oberflächenanalysetechniken unter Ultra geprüft, Hochvakuum (UHV) sowie in ein atmosphärisches System. Die experimentellen Ergebnisse zeigen die hohe Gleichmäßigkeit der ₈₄ C -embedded Si - Oberfläche eine kontrollierte Selbstorganisation Nanotechnologie Mechanismus Hergestellt mit, eine wichtige Entwicklung bei der Anwendung der Feldemissionsanzeige (FED) repräsentiert, opto - elektronischen Bauelementherstellung, MEMS Schneidwerkzeuge, und bei den Bemühungen um einen geeigneten Ersatz für Hartmetall-Halbleiter zu finden. Molekulardynamik (MD) Verfahren mit semiempirischer Potential be verwendet , um die Nanoindentierung von C ₈₄ -embedded Si - Substrat zu studieren. Eine detaillierte Beschreibung zur Durchführung einer MD-Simulation wird hier vorgestellt. Details für eine umfassende Studie zur mechanischen Analyse der MD-Simulation wie Eindrückkraft, Elastizitätsmodul, Oberflächensteifigkeit, Atom Stress und Atom Stamm enthalten sind. Die Atom Stress und von-Mises-Dehnungsverteilungen des Eindrucks Modell berechnet werden, um Verformungsmechanismus mit Zeitauswertung in atomarer Ebene zu überwachen.

Einleitung

Fulleren - Moleküle und die zusammengesetzten Materialien , die sie enthalten , sind unter den Unterscheidungsnanomaterialien aufgrund ihrer ausgezeichneten strukturellen Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und chemische Eigenschaften ^1-4. Diese Materialien haben sich als sehr nützlich in einer Reihe von Bereichen, wie Elektronik, Computer, Brennstoffzellen-Technologie, Solarzellen und Feldemissionstechnologie ^5,6.

Unter diesen Materialien sind Siliziumkarbid (SiC) Nanopartikel Verbunde haben besondere Aufmerksamkeit aufgrund ihrer breiten Bandlücke, eine hohe thermische Leitfähigkeit und Stabilität, hohe elektrische Durchschlagsfähigkeit und chemische Inertheit empfangen. Diese Vorteile sind besonders offensichtlich, in optoelektronischen Vorrichtungen, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Leuchtdioden (LEDs) und High-Power-Hochfrequenz und Hochtemperaturanwendungen. hoher Dichte Defekte jedoch häufig auf der Oberfläche beobachtet Conventional Siliziumkarbid haben nachteilige Auswirkungen auf die elektronische Struktur kann, auch auf Geräteausfall ^7,8 führt. Trotz der Tatsache, dass die Anwendung von SiC hat seit 1960, ist diese besondere ungelöstes Problem bleibt sucht.

Das Ziel dieser Studie war die Herstellung eines C ₈₄ -embedded Si Substrat Heteroübergang und eine nachfolgende Analyse ein umfassendes Verständnis der elektronischen, optoelektronischen, mechanischen, magnetischen und Feldemissionseigenschaften der resultierenden Materialien zu erhalten. Ferner befassten wir uns mit der Frage der Verwendung der numerischen Simulation der Eigenschaften von Nanomaterialien durch die neuartige Anwendung von Molekulardynamik-Berechnungen vorhersagen.

Protokoll

HINWEIS: Das Papier beschreibt die verwendeten Verfahren in der Bildung einer selbstorganisierten Fulleren-Array auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats. Insbesondere stellen wir ein neues Verfahren zur Herstellung eines Fulleren-eingebetteten Siliziumsubstrat für die Verwendung als Feldemitter oder ein Substrat in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und optoelektronischen Vorrichtungen in Hochtemperatur-, Hochleistungs, Anwendungen sowie in hoher -frequenz Geräte ^9-13.

1. Herstellung von Hexagonal-geschlossen-verpackt (HCP) Deckschicht aus C ₈₄ auf Si - Substrat

1. Bereiten Sie reinigen Si (111) Substrat
   1. Gegenstand Si Substrat RCA (Radio Corporation of America) Reinigung, die die Anwendung eines Lösungsmittels, gefolgt von Erhitzen in einem Ultrahochvakuumsystem zur Entfernung der Oxidschicht und Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats (siehe Hintergrundmaterial).
      HINWEIS: Hierin bedeutet der Ausdruck "UHV-Ultrahochvakuum-System" bezieht sichauf ein Vakuum von weniger als 1 x 10 ^-8 Pa bei der Herstellung eines Si (111) verwendet wird .
2. Kaution C ₈₄ auf Siliziumoberfläche Mit Thermal Evaporation in einem UHV - System
   1. Vorheizen eine K-Zelle Verdampfer mit externen Stromversorgung durch Heizfäden bis 500 ° C, um das Ausgasen von Verunreinigungen zu fördern.
   2. Legen C ₈₄ Nanopartikel in einer K-Zelle Behälter. resistiv erwärmen die K-Zelle auf 650 ° C. Verdunsten C ₈₄ Nanopartikel als C ₈₄ Nanopartikel in den Behälter Brüden zusammenzusetzen . Dampfe C ₈₄ Nanopartikel in geraden Linien bis Nanopartikel mit einem Si - Substrat durch ein gesteuertes Ventil bei einem Druck von weniger als 5 x 10 ^-8 Pa schlagen.
3. Embed C ₈₄ Moleküle innerhalb Si - Oberfläche über Selbstorganisation Mechanism
   1. Pre-Glühung Si (111) Substrat in einem Ultrahochvakuumsystem bei 900 ° C zu erhalten (1x1) -Strukturen. Die Temperatur auf 650 ° C für 30 min für die Deposition der C ₈₄ Nanopartikeln auf der Oberfläche des Substrats.
   2. Einbrennlackieren Si-Substrat bei ~ 750 ° C für 12 h, während welcher Zeit das pulverisierte-C ₈₄ - Nanopartikel durch Selbstorganisation in eine sehr gleichmäßige Fulleren - Array auf der Oberfläche des Si (111) -Substrat.
      HINWEIS: Hierin bedeutet der Ausdruck "highly uniform Fulleren array" bezieht sich auf die gleichmäßige Verteilung von Fulleren auf dem Substrat, in dem die meisten der Nanopartikel in einer kompakten Anordnung senkrecht zur Oberfläche des Substrats orientiert sind. Diese Konfiguration dazu beigetragen, dass die vertikale Höhe des Fullerens Array in allen Proben im wesentlichen identisch war.

2. Messungen der elektronischen Eigenschaften von ₈₄ C -embedded Si - Substrat

1. Messen Sie lokale elektronische Zustandsdichte Mit UHV-Rastertunnelmikroskopie
   1. Messen IV-Kurven bestimmter Atome mit UHV-SPM
   2. Platz C ₈₄ -embedded Si-Substrat auf einem SPM Probenhalter. Führen Sie den Halter in einer UHV-STM (Rastertunnelmikroskop) Scankopf-System. Sweep aufgetragenen Probe Vorspannung von -5 V bis 5 V.
   3. Klicken Sie auf "IV" Messpunkt des Tunnelstroms I mit atomarer Auflösung zu messen. Wählen Sie mindestens 20 bestimmten Stellen auf dem C ₈₄ -embedded Si - Substrat für Messungen. Berechnen Sie den Mittelwert des Tunnelstroms I über 20 bestimmten Orten. Herzuleiten I als Funktion der Spannung. Plot IV-Kurven.
   4. Berechnen der Ableitung von I (V) in Bezug auf V. Konvertieren der IV - Kurven zu dI / dV als eine Funktion der Spannung, um den lokalen elektronischen Zustands des C ₈₄ -embedded Si - Substrat zu bestimmen.
2. Messung der Bandlückenenergie
   1. Erhalten IV - Kurven nach den Verfahren in 2.1.2 und 2.1.3 der folgenden Optionen : Si (111) -7x7 Oberfläche, Si (111) -1x1 Oberfläche, einzelne Individuum C ₈₄ Nanopartikel auf Si, 7-19 C ₈₄Cluster auf Si, 20-50 C ₈₄ Clustern auf Si, und eine Monoschicht von ₈₄ C innerhalb von Si - Oberfläche eingebettet.
   2. Berechnen Sie die Ableitung von I (V) in Bezug auf V. Konvertieren Sie die IV - Kurven zu dI / dV - Kurven die HOMO-LUMO Energiedifferenzen zu messen (bezogen auf die Bandlückenenergie) in jeder Messstelle, wie in Abbildung 2a dargestellt.
3. Erhalten Field Emission (FE) Eigenschaften
   1. Platz C ₈₄ -embedded Si - Substrat auf einem FE Probenhalter. Setzen Sie den Halter in FE Analysekammer. Evakuieren der Kammer auf einen Druck von etwa 5 x 10 ^-5 Pa für FE - Messung.
      HINWEIS: Die C ₈₄ -embedded Siliziumsubstrat diente als Kathode und einer Kupfersonde mit einer Querschnittsfläche von ca. 0,71 mm ² als Anode fungiert. Der Abstand zwischen der Kathode und der Anode betrug etwa 590 um.
   2. Erhöhen Sie die angelegte Spannung manuell auf dem Substrat von 100 V bis 1100 V messen entsprechening Feldemissionsstroms als Funktion der angelegten Spannung einer Hochspannungsquelle Meßeinheit mit Stromverstärker verwendet wird.
   3. Berechnen Sie die Fowler-Nordheim - Feldemissions Korrelation entsprechend der Arbeitsfunktion ~ 5 eV wie in 2b gezeigt.
   4. Beziehen Sie die geometrische Feldverstärkungsfaktor (β) wie folgt: F (Feld) = β (V / d) mit einem β-Wert von etwa 4.383.
   5. Beziehen Sie die elektrische Durchbruchfeld unter Vakuum auf der Grundlage der Neigung des natürlichen Logarithmus (J / E ²⁾ vs (1 / E), die uns ergab einen Wert von ~ 4,0 x 10 ⁶ V / cm für den C ₈₄ -embedded Si - Substrat wie in Figur 2c gezeigt.
4. optoelektronischen Eigenschaften
   1. Übertragen Testsubstrat auf eine optische Emissionsmesssystem. Fokus Ein He-Cd-Laserquelle mit 325 nm-Emissionen auf dem Substrat, das in der Mitte des Probenraum befindet. Legen Sie ein Spektrometer in einer geeigneten Position auf. Verwenden Sie eine spectrometer die Photolumineszenz-Spektrum durch das Sammeln und Analysieren von Photonen aussenden zu erwerben. Das optoelektronische Ergebnis ist in 2d gezeigt.

3. Die Messungen der Oberflächen Magnetism

1. Erhalten MFM (Magnetic Force Micros) Topographie.
   1. Magnetisieren Proben von ₈₄ C -embedded Si vor dem MFM - Messungen durch einen Magneten mit einer Feldstärke von etwa 2 kOe angelegt wird .
   2. Legen Sie die magnetisierten Probe auf einem MFM-Probentisch. Klicken Sie auf "Erhalten MFM Topographie" aus. Beachten Sie die Mikrostruktur des Fullerens in der magnetischen Domäne innerhalb des Si-Substrats eingebettet MFM Verwendung in Hubmodus mit der Anwendung der Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche der Probe.
   3. Verwenden Sie einen nanoskaligen PPP-MFMR Cantilever für MFM - Messungen (Abbildung 3a). Bestimmen Sie die Oberflächenmagnetismus, wenn MFM Topographie erscheint dunkler (heller), wenn das magnetische Moment der Spitze im sam iste (entgegengesetzte Richtung) des Substrats Moment.
2. SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Messung
   1. Bereiten Monoschicht von ₈₄ C -embedded Si - Substrat und C ₈₄ Cluster auf C ₈₄ eingebettet Si - Substrat.
   2. Magnetisieren Proben von ₈₄ C -embedded Si und C ₈₄ Cluster auf ₈₄ C eingebetteten Si Substrat vor SQUID Experimenten durch einen Magneten mit einer Feldstärke von etwa 2 kOe angelegt wird .
   3. Die Probe wird in einem SQUID. Tragen Sie eine geschwungene Magnetfeld in einem Bereich von ~ 2 kOe. Erhalten, um die Magnetisierungsschleifen gegenüber dem externen Magnetfeld in SQUID-Messungen bei Raumtemperatur aufgetragen.
      HINWEIS: Die typische MH - Kurve für ein ferromagnetisches Material kann , wie in 3b gezeigt , erhalten werden.

4. Messung der Eigenschaften von Nanomechanische AFM

HINWEIS: Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) liefert einleistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Werkstoff und mechanischen Eigenschaften im Mikro- und Nanoskalen in Luft sowie in einer UHV-Umgebung

1. Messen Sie die Steifheit der C ₈₄ Embedded Si - Substrat unter atmosphärischen Bedingungen
   1. Legen Sie das Substrat auf einer AFM-Probentisch. Ziehen Sie eine scharfe Spitze über die Substrate mit Hilfe eines Scanners. Überwachen Sie die Verschiebungen der Spitze als Maß für die Spitze und Probe Wechselwirkungskräfte. Notieren Sie sich die Bewegungen an vielen Spitzen-Proben-Abstände entlang einer vertikalen Richtung in einer bestimmten Position durch einen Klick auf "Kraftmessung" aus.
   2. Erhalten Kraftmessungen unter Verwendung eines AFM unter atmosphärischen Bedingungen von einer RCA-Reinigung Si - Substrat mit 2-3 nm Schicht aus natürlichem Oxid sowie aus einem C ₈₄ -embedded Si - Substrat und ein Si - Substrat , beschichtet mit einem dünnen Film aus SiC.
   3. Mit AFM-Software, plotten Kraft-Weg-Kurven unter atmosphärischen Bedingungen.
      HINWEIS: Das war AFM Cantilever eine Si-Sonde mit einem Spitzenradius von~ 5-20 nm und Federkonstante von ~ 40 N / m.
2. Messen Sie die Steifheit der C ₈₄ Embedded Si - Substrat in UHV - Kammer
   1. Erhalten Sie Kraftmessungen gemäß der Anleitung von 4.1.1 AFM in einem UHV - System von einem RCA-gereinigten Si - Substrat verwendet, eine saubere Si (111) -7x7 Oberfläche, ein ₈₄ C -embedded Si - Substrat, Substrat und ein Si - Substrat beschichtet mit einem dünnen Film aus SiC.
   2. Plot Kraft-Weg-Kurven in einem UHV-System. . Hinweis: Die AFM - Cantilever eine Si - Sonde mit einem Spitzenradius von ~ 20.5 nm und Federkonstante von ~ 40 N / m war Abbildung 4 zeigt die Kraft-Weg - Analyse der ungeordneten Si - Oberfläche, 7 x 7 Oberfläche, Single Selbst montierte Schicht von ₈₄ C innerhalb von Si - Oberfläche eingebettet sind , und Si - Oberfläche, wie UHV-AFM bestimmt.

5. Messung der Nanomechanische Eigenschaften von MD Simulation

HINWEIS: In der Simulationsabschnitt, OVITO ¹⁶ (Open-Source - visualizatiOSSD ¹⁷ (Open Oberflächenstruktur - Datenbank) auf Software) und werden verwendet , um das Simulationsmodell und Ergebnisse Visualisierung zu erstellen. LAMMPS ¹⁴ (ein Open-Source - Moleküldynamik (MD) Simulationspaket) wird verwendet , um die Nanoindentierung Simulation durchzuführen und zu analysieren , die Simulation ¹⁵ führt. Alle Simulationsaufträge werden mit Parallel-Computing in der erweiterten Groß Parallel Super (ALPS) von NCHC ausgeführt.
HINWEIS: Um die C ₈₄ einschichtige / Si - Substrat mit Hetero Studie von MD - Simulation, sollte man ein Simulationsmodell durch mehrere Schritte vorbereiten eine entspannte C ₈₄ Monoschicht in das Si - Substrat eingebettet zu erhalten. Man beachte , daß es schwierig ist , eine genau die gleiche Struktur aus den experimentellen Daten, weil der Komplex der Zwischenstruktur zwischen C ₈₄ Monoschicht und Si (111) -Substrat Heteroübergang zu erzeugen. Als Ergebnis verwenden wir eine künstliche Weise das Simulationsmodell mit mehreren Schritten des Verfahrens zu erzeugen,die in Figur 5 dargestellt ist. Die Details werden in den folgenden Protokollen beschrieben. Wir beschreiben , wie die Einrichtung der Parameter von MD in LAMMPS, eine entspannte C ₈₄ Fulleren einschichtigen in ein Substrat eingebettet etablieren, eine Vertiefung Verfahren durchführen, und die Simulationsergebnisse analysieren.

1. Parameter Einstellung in LAMMPS Eingabedatei
   1. Verwenden Grenze Befehl, um die periodische Randbedingungen in der x- und der y-Richtung zu setzen.
   2. Mit "fix Geschwindigkeit" -Befehl die Anfangsgeschwindigkeit mit einer Gaußschen Verteilung an jedem Atom des Systems zuzuordnen, zufällig.
   3. Verwenden Sie "fix pair_style" Befehl Tersoff ¹⁸ und AIREBO ¹⁹ Potentiale zuzuweisen , die Si-Si und Si-C - Wechselwirkung und die CC - Wechselwirkung zu beschreiben sind.
   4. Verwenden Sie "Fix nvt" und "fix npt" Befehl ²⁰ die Nose-Hoover - Verfahren anzuwenden , das System , um sicherzustellen , bleibt bei der gewünschten Temperatur und Druck auf GenBewerten eine kanonische und isothermen-isobaren ensemble ^20, in welchem System die Geschwindigkeit-Verlet Algorithmus ²⁰ verwendet wird , um die Flugbahnen der Atome zu prognostizieren. Verwenden Sie beide "fix nvt" und "run" befiehlt eine Kühlrate von 3 K / psec für Glühprozess einzustellen.
   5. Verwenden Sie "Zeitschritt" Befehl, um einen Zeitschritt von 0,2 fsec als die Zeit, die Integration zu setzen.
   6. Verwenden Sie "reparieren Wand / reflektieren" Befehl eine reflektierte Wand zu erlassen, um den Grad der Freiheit zu beschränken (5.3.2).
   7. Verwenden Sie "Region" und "Gruppe", um das Substrat in verschiedenen Kontrollebenen aufzuteilen (5.4.3): Newtonsche Atomschicht, eine thermische Steuerschicht und eine untere feste Schicht, die unter Verwendung von "fix nve" eingerichtet werden kann " fix nvt "und" setforce "Befehle zu beheben sind.
   8. Verwenden Sie "Region" und "create_atoms" Befehlen eine kugelförmige Sonde zu schaffen.
   9. Verwenden Sie "fix move" Befehl, um die C84-Monoschicht in das Substrat einbetten (5.4.2) und bewegen Sie die Sonde während der Simulation (5.5.2).
   10. Verwenden Sie "run" Befehl MD-Simulation durchzuführen.
   11. "Rechenkraft" Use (5.6.1) und "Compute-Stress / Atom" (5.6.4) Befehle, um die Atom Stress und Eindrückkraft zu bewerten.
       HINWEIS: Im Folgenden werden mit Ausnahme der Struktur zur Festlegung alle Schritte von LAMMPS Skript durchgeführt wurden.
2. Verwenden Sie OSSD und OVITO zu Herstellung von Silizium (111) 7 x 7-Oberfläche.
   1. Schalten Sie die OSSD-Software. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Suche". "Suchkriterien" Panel vorgestellt. Wählen Si-Substrat, elementaren Typ, rekonstruierte Struktur, Halbleiter-elec, Diamantgitter, 111 Gesicht und 7 x 7 Muster. Klicken Sie auf "Suchen" und "Übernehmen" Tasten. "Strukturliste" Panel vorgestellt. Klicken Sie auf die gewünschte Struktur (dh Si (111) 7 x 7). Klicken Sie auf "Datei" klicken. Speichern Sie die Datei als Koordinations .xyz Datei.
      HINWEIS: Wir weisen darauf hin, dass die StrukturDatenbank aus OSSD- extrahiert ist nicht groß genug für unsere Einbuchtung Simulation. Als Ergebnis können wir eine größere und dickere Substrat durch die folgenden Schritte wieder aufzubauen.
   2. Schalten Sie die OVITO Software. Laden Sie die Datei .xyz in OVITO. Verwendung "Slice" Befehl eine Superzelle des Si zu erfassen (111) 7 x 7 Fläche mit einer Größe von 26,878 x 46,554 Å ² in x und y - Richtung. Exportieren Sie die Datendatei. Verwendung "Slice" Befehl eine Superzelle der unteren Si (111) -Substrat mit einer Größe von 26,878 x 46,554 x 9,7 Å ³ zu erfassen. Verwenden Sie "zeigen periodische Bilder" Befehl Superzellen- 12-mal in z-Richtung zu duplizieren. Exportieren Sie die Datendatei.
   3. Kombinieren Sie die Datendateien von Si (111) 7 x 7 Oberfläche und die Si (111) Substrat Modelle von Notepad ++ (ein kostenloser Quellcode-Editor). Schließlich laden die kombinierten Daten in OVITO. Verwenden Sie "zeigen periodische Bilder" eine 5 x 3 Superzelle in x und y-Richtung zu verdoppeln die Größe des Substrats zu vergrößern.
   4. Verwenden Sie LAMMPS eine 20 & mgr; s durchzuführenMD-Simulation Zeit, um das Simulationsmodell zum Entspannen. Im Folgenden wird ein Abschreckverfahren von 1.550 K bis Raumtemperatur für 500 psec Simulationszeit durchführen. Führen Sie schließlich für die endgültige Relaxationsprozesses 10 psec Simulationszeit.
3. Herstellung von C ₈₄ Fulleren einschichtiges
   1. Laden Sie die Koordination Datei der optimierten Struktur von C ₈₄ Fulleren aus der Bahn ²¹ und schreiben Sie eine Fortran - Programm zu replizieren 49 C ₈₄ in einer Wabenstruktur angeordnet Fullerene.
   2. Verwenden Sie LAMMPS Setup reflektieren Wände auf und unterhalb der C ₈₄ einschichtige , um sicherzustellen , dass die Moleküle auf einem Plan zu bleiben. Führen Sie eine MD-Simulation Zeit für 200 & mgr; s das Simulationsmodell zu entspannen. Im Folgenden wird ein Abschreckverfahren von 700 K bis Raumtemperatur einen glob Mindest Zustand für 500 psec Simulationszeit zu erhalten, durchzuführen. Führen Sie schließlich für die endgültige Entspannung Prozess eine 10 & mgr; s Simulationszeit.
4. Stellen Sie die Indentation Modell der C ₈₄ Fullerene Monoschicht auf Silizium (111) 7 x 7 - Oberfläche.
   1. Schreiben Sie einen Fortran - Code , um die C ₈₄ Monoschicht auf der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche mit Abstand von 3 Å legen , um das Einrücken Modell zu etablieren.
   2. Verwenden Sie LAMMPS die C ₈₄ Monoschicht in das Substrat mit einer Tiefe von 2 bis 3 Å einzubetten. Im Folgenden wird eine 40 psec Simulationszeit für die System Relaxation ausgeführt. Schließlich tempern das System auf Raumtemperatur.
   3. Teilen das Siliziumsubstrat in eine obere Newtonsche Atomschicht, einer thermischen Steuerschicht und eine untere feste Schicht, die 0,7 sind, 2 und 5,3 nm Dicke, respectively. Die C - ₈₄ - Monoschichten wurden auch als Newtonsche Atom modelliert.
5. Eindringprozesses von MD
   1. Verwenden Sie LAMMPS eine kugelförmige Sonde mit 5 nm Durchmesser auf der C - ₈₄ / Si (111) 7 x 7 Oberflächenmodus (Abbildung 5) zu erstellen. Die Sonde wird als starrer Körper eingestellt. Geben Sie eine konstante Geschwindigkeit von 10 m / s auf dem probe nach unten in Richtung der Probe in der Vertiefung Prozess zu bewegen.
   2. Bewegen der Sonde nach unten in die Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit , bis die spezifischen Ladetiefe (dh einschließlich der Fälle von 1,5, 2,5, 4,5, 10, 15, 20 und 30 Å , um die Wirkung des C ₈₄ Fulleren - Monoschicht zu erkunden auf dem Si - Substrat, wobei die Größe von C ₈₄ Fulleren 11 Å) in dem Ladevorgang ist. Halten Sie die Sonde in dem Substrat in dem Halte Verfahren zur Entspannung von Atomen zu ermöglichen. Schließlich extrahieren, die Sonde von dem Substrat mit einer konstanten Geschwindigkeit in der Rückzugsprozess.
6. Berechnung und Analyse
   1. Berechne die Eindrückkraft durch die vertikale Kraft von Atomen in der Sonde Summieren gemäß den folgenden Formeln:
      (1)
   2. die reduzierte E-Modul und Steifigkeit aus der Kraft-Weg-Kurve des Eindrucks extrahiert. Basierend auf Oliver und Pharr & #39; s Methode ^22, eine lineare Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und der Entladestation Steifigkeit abgeleitet werden. Die Steifigkeit ( das heißt, die Steigung des Anfangsteils) der Entlastungskurve ist definiert als
      (2)
      wobei P, h, A, E und _R die Eindruckbelastungs, elastische Verschiebung der Sonde, projizierten Fläche der Einbuchtung und verringertem Modul. β (= 1 für runde Eindringkörper) ist die Form Modifikationsfaktor. Das Verhältnis zwischen reduziertem Modul und Elastizitätsmodul kann geschrieben werden als
      (3)
      wobei E und v der Young-Modul und das Poisson-Verhältnis für die Probe und E _i und v _i die der Young - Modul und das Poisson-Verhältnis für den Eindringkörper.
   3. Berechnen Sie die Härte durch Definition von H = P _max / A, wobei P _max und A die maximale Eindrückkraft und Projektionsfläche der Sonde sind.
   4. Berechne die virial Atom Stress ²² auf der m - Ebene des Substrats in der n -Richtung durch
      (4)
      wobei m _i die Masse von Atom i; und in der m sind die Geschwindigkeitskomponenten von Atom i - und n -Richtungen sind; N _s ist die Anzahl von Partikeln enthalten innerhalb des Bereichs S, wobei S definiert ist als der Bereich der atomaren Wechselwirkung; V _i das Volumen um Atom i zugeordnet ist ; Φ (r _ij) ist die Potentialfunktion; r _ij der Abstand zwischen den Atomen i und j, und und die m - und n -Richtung Komponenten des Vektors von Atom i j zu Atom.
   5. Verwenden Sie OVITO die von-Mises-Stamm jedes Atoms invariant zu zeigen, gemäß den folgenden Formeln:
      (5)

Ergebnisse

Eine Monoschicht aus C ₈₄ Molekülen auf einer ungeordneten Si (111) -Oberfläche wurde hergestellt in einer UHV - Kammer eine kontrollierte Selbstorganisationsprozess unter Verwendung von Figur 1 zeigt eine Reihe von topographischen Bildern gemessen durch UHV-STM mit verschiedenen Graden der Abdeckung:. (A) 0,01 ML, (b) 0,2 ml, (c) 0,7 ml und (d) 0,9 ml. Die elektronischen und optischen Eigenschaften der C ₈₄ eingebettet Si - Substrat wurden ebenfalls unter Verwendung einer Vielza...

Diskussion

In dieser Studie zeigen wir die Herstellung einer selbstorganisierenden Monoschicht von C ₈₄ auf einem Si - Substrat durch einen neuartigen Glühprozeß (Abbildung 1). Dieses Verfahren kann auch andere Arten von Nanopartikeln eingebetteten Halbleitersubstrate zur Herstellung verwendet werden. Der C ₈₄ -embedded Si - Substrat auf atomarer Skala mit UHV-STM (Abbildung 2) charakterisiert, Feldemissionsspektrometer, Photolumineszenz - Spektroskopie, MFM und SQUID...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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; 1,074 TB storage