Зондирование C<sub&gt; 84</sub&gt; -вложено Si подложки с помощью сканирующей зондовой микроскопии и молекулярной динамики

Резюме

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

Аннотация

В данной работе сообщается массив разработанный C ₈₄ -вложено кремниевой подложки , изготовленных с использованием контролируемого метода самосборки в сверхвысоком вакуумной камере. Характеристики С ₈₄ -вложено поверхности Si, например с атомным разрешением рельефа, локальной электронной плотности состояний, полосы энергетической щели, эмиссионные свойства поля, наномеханического жесткости и поверхностного магнетизма, были изучены с использованием различных методов анализа поверхности под ультра, высокий вакуум (СВВ) условий, а также в атмосферной системе. Экспериментальные результаты демонстрируют высокую однородность С ₈₄ -вложено Si поверхности изготовлены с использованием контролируемого механизма самосборки нанотехнологической, представляет собой важное событие в области применения дисплея полевой эмиссии (FED), изготовление оптико - электронных устройств, МЭМС режущих инструментов, а также в усилиях чтобы найти подходящую замену для твердосплавных полупроводников. Метод молекулярной динамики (МД) с полуэмпирическом потенциалом можно бе используется для изучения наноиндентирование С ₈₄ -вложено кремниевой подложки. Подробное описание для выполнения МД моделирования представлена ​​здесь. Детали для всестороннего изучения на механическом анализе МД моделирования, такие как отступа силы, модуль Юнга, поверхностная жесткость, атомно-стресс и атомной деформации включены. Атомные напряжений и деформаций фон-Мизеса распределения модели отступа можно рассчитать, чтобы контролировать механизм деформации с оценкой времени в атомистической уровне.

Введение

Молекулы фуллеренов и композиционные материалы , которые они содержат являются отличительными среди наноматериалов из - за их превосходных структурных характеристик, электронная проводимость, механическая прочность, и химические свойства ^1-4. Эти материалы оказались весьма полезными в самых разных областях, таких как электроника, компьютеры, технологии топливных элементов, солнечных батарей и технологии излучения поля ^5,6.

Среди этих материалов, карбид кремния (SiC) с наночастицами композиты Особое внимание было уделено благодаря их широкой запрещенной зоной, высокой теплопроводностью и стабильностью, высокой электрической способности пробоя и химической инертности. Эти преимущества особенно очевидны в оптико-электронных приборов, металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов (MOSFET), светоизлучающие диоды (СИД) и высокой мощности, высокочастотные, и высокотемпературных применений. Тем не менее, дефекты высокой плотности обычно наблюдаются на поверхности CONVENTIнальная карбид кремния может оказывать вредное воздействие на электронную структуру, даже приводя к отказу ^7,8 устройства. Несмотря на то, что применение карбида кремния было изучено с 1960 года, эта конкретная нерешенной проблема остается.

Целью данного исследования было изготовление из C ₈₄ -вложено гетеропереход подложки Si и последующий анализ , чтобы получить полное представление электронных, оптико - электронных, механических, магнитных и полевых эмиссионных свойств полученных материалов. Мы также рассмотрели вопрос использования численного моделирования для прогнозирования характеристик наноматериалов, с помощью нового применения расчетов молекулярной динамики.

протокол

Примечание: В этом документе описываются методы, используемые при формировании самоорганизующейся фуллерена массива на поверхности полупроводниковой подложки. В частности, мы представляем новый способ получения кремниевой подложки фуллерена встраиваемый для использования в качестве полевого эмиттера или подложки в микроэлектромеханических системах (МЭМС) и оптико-электронных приборов в условиях высокой температуры, высокой мощности, приложений, а также в высокой -Частота устройства. ^9-13

1. Изготовление шестигранной замкнутому упакована (HCP) оверлейного из C ₈₄ на подложке Si

1. Подготовьте Clean Si (111) подложке
   1. С учетом Si подложки для RCA (Radio Corporation Америки) очистки, предусматривающему применение растворителя с последующим нагреванием в сверхвысоком вакуумной системой для удаления оксидного слоя и примесей с поверхности подложки (см вспомогательный материал).
      Примечание: В данном описании термин "СВВ-сверхвысокий вакуум система" относитсяв вакууме ниже 1 × 10 ^-8 Па используется в приготовлении Si (111).
2. Депозит C ₈₄ на поверхности кремния с помощью термического испарения в системе СВВ
   1. Предварительно нагреть испаритель K-ячейки с внешним источником питания через нагревательных нитей до 500 ° C для содействия дегазацию примесей.
   2. Нагрузка C ₈₄ наночастицы в контейнер К-клеток. Резистивно нагревать K-клеток до 650 ° С. Vaporize C ₈₄ наночастицы в качестве C ₈₄ наночастицы в контейнере составляют пары. Упаривают C ₈₄ наночастицы в прямых до наночастиц не нанести кремниевой подложки через управляемый клапан при давлении ниже 5 × 10 ^-8 Па.
3. Код C ₈₄ молекул внутри Si поверхность через самосборка механизма
   1. Предварительно отжигать Si (111) подложки в сверхвысоком вакуумной системы при 900 ° С для получения (1х1) структуры. Снизить температуру до 650 ° С в течение 30 мин для Deposition наночастиц на поверхности подложки С _84.
   2. Отжигать кремниевой подложки при ~ 750 ° С в течение 12 ч, в течение которых порошкообразный-С ₈₄ наночастиц самосборке в высокой степени однородные массива фуллерена на поверхности (111) кремниевой подложки.
      Примечание: В данном описании термин "чрезвычайно однородным фуллерен массив" относится к равномерному распределению фуллерена на подложке, в котором большая часть наночастиц ориентированы в компактном расположении перпендикулярно к поверхности подложки. Эта конфигурация помогает обеспечить, чтобы вертикальная высота массива фуллерена была по существу одинаковы во всех образцах.

2. Измерения электронных свойств C ₈₄ -вложено Si Субстрат

1. Мера локальной плотности электронных состояний с помощью СВВ-сканирующей туннельной микроскопии
   1. Мера IV кривые конкретных атомов с использованием СВВ-SPM
   2. Место C ₈₄ -вложено кремниевой подложки на держателе SPM образца. Представьте держатель в СВВ-СТМ (сканирующий туннельный микроскоп) системы сканирующей головки. Развертки приложенным напряжением смещения образца от -5 В до 5 В.
   3. Нажмите на "IV" пункта измерения для измерения туннельного тока I с атомным разрешением. Выберите по крайней мере 20 конкретных местах на подложке -вложено C ₈₄ Si для измерений. Вычислить среднее значение туннельного тока I более 20 конкретных местах. Выведите I в зависимости от напряжения. Участок IV кривые.
   4. Вычислить производную I (V) относительно V. Преобразование кривых IV Д.И. / дУ в зависимости от напряжения с целью определения локального электронного состояния C ₈₄ -вложено кремниевой подложки.
2. Мера ширины запрещенной зоны энергии
   1. Получают кривые IV в соответствии с процедурами , изложенными в пункте 2.1.2 и 2.1.3 из следующего: Si (111) поверхности -7x7, Si (111) -1x1 поверхности, один человек C ₈₄ наночастицы на Si, 7-19 C ₈₄кластеров на Si, 20-50 C ₈₄ кластеров на Si и монослой C ₈₄ встраивается в поверхности Si.
   2. Вычислить производную I (V) относительно V. Преобразование кривых IV в DI / кривых Д. для измерения разности энергии HOMO-LUMO (называемые зоны энергетической щели) в каждом месте измерения, как показано на рисунке 2а.
3. Получение поля излучения (FE) Свойства
   1. Место C ₈₄ -вложено кремниевой подложки на держателе образца FE. Вставьте держатель в камере анализа FE. Вакуумирование камеры до давления около 5 х 10 ^-5 Па для измерения FE.
      Примечание: -вложено подложки кремния С ₈₄ функционирует в качестве катода и медного зонда с площадью поперечного сечения ~ 0,71 мм ² функционировали в качестве анода. Расстояние между катодом и анодом было приблизительно 590 мкм.
   2. Увеличение приложенного напряжения вручную на подложку от 100 В до 1100 В. Измерьте соответИНГ эмиссионного тока в зависимости от приложенного напряжения с использованием единицы измерения источника высокого напряжения с усилителем тока.
   3. Вычислить корреляцию с полевой эмиссией Фаулера-Нордгейма в соответствии с функцией работы ~ 5 эВ , как показано на рисунке 2b.
   4. Получить коэффициент геометрического усиления поля (Q) следующим образом: F (поле) = β (V / d) со значением бета приблизительно 4383.
   5. Получить электрическое поле пробоя в вакууме , основанный на склоне натурального логарифма (Дж / E ²⁾ Vs (1 / E), который дал нам величину ~ 4,0 х 10 ⁶ В / см в течение ₈₄ С -вложено кремниевой подложки как показано на фиг.2с.
4. оптоэлектронные свойства
   1. Передача тестирования подложки оптической системы измерения количества выбросов. Фокус лазерный источник He-Cd-с 325 нм эмиссии на подложке, расположенной в центре образца отсека. Настройка спектрометра в подходящем положении. Используйте спеctrometer приобрести спектр фотолюминесценции путем сбора и анализа излучающие фотоны. Оптико - электронный результат показан на рисунке 2d.

3. Измерения поверхностного магнетизма

1. Получение MFM (магнитная силовая микроскопия) топография.
   1. Намагнитить образцы C ₈₄ -вложено Si до измерений MFM путем применения магнита с напряженностью поля около 2 кЭ.
   2. Поместите образец на намагниченные в стадии образца MFM. Нажмите на кнопку "Получить" MFM топографию пункта. Обратите внимание на микроструктуру фуллерена в магнитном домене, заложенным в кремниевой подложке с использованием MFM в режиме подъема с применением намагниченности, перпендикулярной к поверхности образца.
   3. Использование наноразмерных PPP-MFMR кантилевера для измерения MFM (рис 3а). Определить поверхности магнетизм, если MFM топография выглядит темнее (светлее), когда магнитный момент наконечник находится в Сэмее (противоположное) направление момента основания.
2. СКВИД (сверхпроводящий квантовой интерференции устройств) Измерение
   1. Приготовьте монослой C ₈₄ -вложено подложки Si и C ₈₄ кластеров на C ₈₄ встроенной кремниевой подложке.
   2. Намагнитить образцы C ₈₄ -вложено Si и C ₈₄ кластеров на C ₈₄ встроенных кремниевую подложку до SQUID экспериментов с применением магнита с напряженностью поля около 2 кЭ.
   3. Поместите образец в SQUID. Применение подметания магнитного поля в диапазоне ~ 2 кЭ. Получить петли намагничивания строили графики зависимости от внешнего магнитного поля при измерениях SQUID при комнатной температуре.
      Примечание: Типичная кривая МН для ферромагнитного материала , может быть получено , как показано на рисунке 3b.

4. Измерение наномеханическим свойств по атомно-силовой микроскопии

Примечание: атомно-силовой микроскопии (AFM) обеспечиваетмощный инструмент для определения характеристик материалов и механических свойств на микро- и нано-масштабах в воздухе, а также в среде СВВ

1. Мера Жесткость C ₈₄ встроенных Si подложки под атмосферных условиях
   1. Поместите субстрат на каскад АФМ образца. Перетащите острый кончик над подложках с помощью сканера. Мониторинг перемещения наконечника в качестве меры сил взаимодействия зонд-образец. Запись движения на многих зонд-образец расстояния вдоль вертикального направления в определенном положении, нажав на "измерение силы" деталь.
   2. Получить измерения силы с помощью AFM в атмосферных условиях от RCA очищенную подложку Si с 2-3 нм слой природного оксида, а также из C ₈₄ -вложено кремниевой подложки и кремниевой подложки , покрытой тонкой пленкой карбида кремния.
   3. Использование ПО AFM, построения кривых силы расстояния при атмосферных условиях.
      Примечание: Консольная AFM был зонд Si с радиусом наконечника~ 5-20 нм и весной константа ~ 40 Н / м.
2. Мера Жесткость C ₈₄ Embedded Si подложке в СВВ палате
   1. Получить измерения силы в соответствии с руководством 4.1.1 с помощью AFM в системе СВВ из RCA очищенную кремниевой подложки, чистый Si (111) -7x7 поверхность, C ₈₄ -вложено Si подложки, подложку и кремниевой подложки с покрытием с тонкой пленкой карбида кремния.
   2. Постройте кривые силы расстояния в системе СВВ. Примечание:. Кантилевера AFM был зонд Si с радиусом наконечника ~ 5-20 нм и жесткости пружины ~ 40 Н / м Рисунок 4 представляет собой анализ силы расстояния от неупорядоченной поверхности Si, 7 х 7 поверхность, холостая само- собранный слой C ₈₄ встроены в поверхности Si и Si поверхности, как определено с использованием СВВ-AFM.

5. Измерение свойств наномеханическим М.Д. Моделирование

Примечание: В разделе моделирования, OVITO ¹⁶ ( с открытым исходным кодом visualizatiна программное обеспечение) и, OSSD ¹⁷ (открытая поверхность структура базы данных) используются для создания имитационной модели и результаты визуализации. LAMMPS ¹⁴ (с открытым исходным кодом молекулярной динамики (МД) моделирования пакета) используется для выполнения моделирования наноиндентирование и анализировать результаты моделирования ^15. Все задания моделирования выполняются с параллельных вычислений в расширенном Крупномасштабное Параллельный сверхскоплении (ALPS) из NCHC.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для изучения C ₈₄ однослойной / Si подложки гетеропереход с помощью МД моделирования, следует подготовить имитационную модель на несколько шагов , чтобы получить оптимальное сочетание C ₈₄ монослой встроенный в подложку Si. Обратите внимание , что трудно сформировать точно такую же структуру из экспериментальных данных, из-за комплекса среди структуры между C ₈₄ монослой и Si (111) подложки гетероперехода. В результате, мы используем искусственный способ для создания имитационной модели с несколькими шагами процедуры,которая показана на рисунке 5. Подробности описаны в следующих протоколах. Мы опишем , как настроить параметр MD в LAMMPS, создать непринужденную C ₈₄ фуллерена монослой встроенный в подложку, выполняют процедуру отступов, а также анализировать результаты моделирования.

1. Настройка параметров в LAMMPS входного файла
   1. Используйте граничный команду, чтобы установить периодические граничные условия в Х- и Y-направления.
   2. Используйте команду "скорость исправить", чтобы назначить начальную скорость с гауссовым распределением на каждом атоме системы, случайным образом.
   3. Используйте "исправить" pair_style команду , чтобы назначить Tersoff ¹⁸ и AIREBO ¹⁹ потенциалов для описания взаимодействия Si-Si и Si-C и взаимодействие CC, соответственно.
   4. Используйте "исправить NVT" и "исправить" команду NPT принять метод носового Hoover ²⁰ , чтобы обеспечить система остается при заданной температуре и давлении до генаоценить каноническую и изотермического-изобарическая ансамбль ^20, в котором система алгоритм скорости-Верле ²⁰ , используемый для прогнозирования траектории атомов. Используйте оба "исправить NVT" и "Выполнить" команду для установки скорости охлаждения 3 К / псек для процесса отжига.
   5. Используйте команду "Timestep", чтобы установить временной шаг 0.2 в качестве ФКЦБ интегрирования по времени.
   6. Используйте "исправить стены / отразить" команду принять отражающую стенку, чтобы ограничить степень свободы (5.3.2).
   7. Используйте "регион" и "группу", чтобы разделить подложку на разные слои управления (5.4.3): ньютонов атом слой, слой терморегулятор, и нижний неподвижный слой, который можно настроить с помощью "Fix NVE", " исправить NVT ", и" исправить команды setforce ", соответственно.
   8. Используйте "регион" и "create_atoms" команды для создания сферического зонда.
   9. Используйте команду "исправить ход", чтобы встроить монослой C84 в подложку (5.4.2) и переместить зонд во время моделирования (5.5.2).
   10. Используйте команду "Выполнить" для выполнения МД моделирования.
   11. Используйте "вычислительную силу" (5.6.1) и "вычислить напряжение / атом" (5.6.4) команды для оценки атомного напряжения и силы вдавливания.
       Примечание: В дальнейшем, за исключением структуры установления, все шаги были сделаны LAMMPS сценария.
2. Используйте OSSD и OVITO для подготовки кремния (111) 7 × 7 поверхности.
   1. Включите программное обеспечение OSSD. Нажмите на кнопку "Поиск". "Критерии поиска" панель представлена. Выбрал кремниевой подложки, элементарный тип, реконструированный структуру, полупроводниковый Елец, решетки алмаза, 111 лицо и 7 х 7 шаблон. Нажмите на кнопку "Поиск" и "Принять" кнопки. "Список Структура" панель представлена. Нажмите нужную структуру (т.е. Si (111) 7 х 7). Нажмите кнопку "Файл". Сохраните файл в качестве координационного .xyz файла.
      Примечание: Отметим, что структурныйбаза данных извлекается из OSSD недостаточно велика для нашего отступа моделирования. В результате, мы перестраивать больше и толще субстрата с помощью следующих стадий.
   2. Включите программное обеспечение OVITO. Загрузите файл .xyz в OVITO. Используйте команду "Slice" , чтобы захватить суперячейки Si (111) 7 × 7 поверхности с размером 26.878 х 46,554 Å ² в х и у направлении. Экспорт файла данных. Используйте команду "Slice" , чтобы захватить сверхочаговой дна Si (111) подложки с размером 26.878 х 46.554 х 9,7 Å ^3. Используйте команду "Показать периодические изображения", чтобы дублировать суперъячейки 12 раз в направлении г. Экспорт файла данных.
   3. Объединить файлы данных из Si (111) 7 × 7 поверхность и Si (111) модели подложки с помощью Notepad ++ (бесплатный редактор исходного кода). И, наконец, загрузить объединенные данные в OVITO. Используйте "Показать периодические изображения", чтобы дублировать сверхочаговой 5 х 3 х и у направлениях, чтобы увеличить размер подложки.
   4. Используйте LAMMPS для выполнения 20 мксекMD время моделирования для отдыха имитационной модели. В дальнейшем, выполнить процесс резкого охлаждения от 1,550 K до комнатной температуры в течение 500 мксек времени моделирования. И, наконец, выполнить моделирования времени 10 пс для процесса окончательной релаксации.
3. Получение C ₈₄ фуллерен однослойная
   1. Загрузить файл координации оптимизированной структуры C ₈₄ фуллерена из Интернета ²¹ и написать программу FORTRAN тиражировать 49 C ₈₄ фуллерены , расположенных в сотовой структуре.
   2. Используйте LAMMPS для настройки отражения стен на и ниже C ₈₄ монослой , чтобы гарантировать , что молекулы остаются на план. Выполните время MD для моделирования 200 мксек расслабить имитационной модели. В дальнейшем, выполнить процесс резкого охлаждения от 700 К до комнатной температуры, чтобы получить Глоб минимальное состояние на 500 мксек времени моделирования. И, наконец, выполнить время моделирования 10 псек для окончательного процесса релаксации.
4. Установите Indentaция Модель C ₈₄ фуллерена монослоя на кремнии (111) 7 × 7 поверхности.
   1. Написать код FORTRAN закладывать C ₈₄ монослой на поверхности Si (111) 7 × 7 поверхность с расстояния 3 Å установить модель отступа.
   2. Используйте LAMMPS для встраивания C ₈₄ монослой в подложку с глубиной 2 ~ 3 Å. В дальнейшем запустить время моделирования 40 псек для релаксации системы. И, наконец, прокалить системы до комнатной температуры.
   3. Разделить кремниевую подложку на верхнюю ньютоновской атома слой, слой терморегулирующего и нижний фиксированный слой, который составляют 0,7, 2 и 5,3 нм в толщину, соответственно. В C ₈₄ монослоев были также смоделированы как ньютоновской атома.
5. Отступ Процесс MD
   1. Используйте LAMMPS для создания сферического зонда с 5nm диаметром от ₈₄ / Si режим поверхности С (111) 7 × 7 (рисунок 5). Зонд устанавливается как твердое тело. Укажите постоянную скорость 10 м / сек на прОБЕ двигаться вниз в направлении образца в процессе вдавливания.
   2. Передвигайте зонд вниз к образцу с постоянной скоростью до глубины конкретной нагрузки (то есть, в том числе случаев , 1.5, 2.5, 4.5, 10, 15, 20, и 30 Å , с тем, чтобы исследовать влияние фуллерены монослоя C ₈₄ на кремниевой подложке, где размер C ₈₄ фуллерен 11 Å) в процессе загрузки. Удерживая зонд в подложке в процессе выдержки, чтобы обеспечить релаксации атомов. И, наконец, извлечь зонд от подложки с постоянной скоростью в процессе обратного хода.
6. Расчет и анализ
   1. Вычислить силу вдавливания путем суммирования вертикальной силы атомов в зонде в соответствии со следующими формулами:
      (1)
   2. Извлеченные приведенный модуль и жесткость от силы расстояния кривой вдавливания. Основанный на Оливера и Фарра & #39; s метод ^22, линейная зависимость может быть получена между модулем Юнга и жесткость разгрузки. Жесткость (то есть, наклон начальной части) кривой разгрузки определяется как
      (2)
      где Р, Н, А и Е _г являются отступы нагрузки, упругое смещение зонда, площадь проекции отпечатка, и приведенный модуль. β (= 1 для круговой индентора) является фактором изменения формы. Связь между приведенным модулем и модулем Юнга можно записать в виде
      (3)
      где Е и v являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона для образца и E _I и V _I являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона для индентора.
   3. Рассчитывают твердость по определению H = P _мах / А, где Р _макс и А максимальная сила вдавливания и площадь проекции зонда.
   4. Вычислить вириальную атомное напряжение ²² на м плоскости подложки в п -направлении путем
      (4)
      где т _я масса атома I; а также компоненты скорости атома я в м - и п -направлений соответственно; V _я есть объем вокруг атома назначен я, N _s есть число частиц , содержащихся в области S, где S определяется как область взаимодействия атомов ; Φ (г _IJ) является потенциальная функция; г _IJ расстояние между атомами и я J, и а также являются м - и п -направлении компоненты вектора от атома к атому я J.
   5. Используйте OVITO, чтобы показать деформацию фон-Мизеса каждого атома инварианта в соответствии со следующими формулами:
      (5)

Результаты

Монослой C ₈₄ молекул на неупорядоченной поверхности Si (111) был изготовлен с использованием процесса управляемой самосборки в камере СВВ На рисунке 1 показан ряд топографических изображений , измеренных с помощью СВВ-СТМ с различной степенью охвата:. (А) 0,01 мл, (б) 0,2 мл, (в) 0,7 ?...

Обсуждение

В данном исследовании мы демонстрируем изготовление в самоорганизующейся монослоя C ₈₄ на подложке Si через новый способ отжига (рисунок 1). Этот процесс также может быть использован для получения других видов наночастиц встраиваемый полупроводниковых подложек. C ₈₄

Материалы

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