使用扫描探针显微镜与分子动力学研究嵌入 C₈₄ 的硅基底

本研究旨在制备一种嵌入C84的硅基底异质结，并对其进行后续分析，以全面理解所得材料的电子、光电、机械、磁学及场发射特性。我所研究的纳米材料正引领材料科学革命的前沿趋势。借助扫描探针显微镜，我们将能够以足够的灵敏度和分辨率识别表面纳米结构的特征。

通过分子动力学模拟，我们可以监测压痕过程中原子类型、依赖性、原子级行为及力学行为。所有模拟均在国家高速网络与计算中心（NCHC）的超级计算集群ALPS上采用并行计算完成，所有实验工作均在中兴大学（NCHU）的纳米科学实验室完成。演示实验步骤的人员为我团队成员Che-Fu、Pei-Fang、Ya-Chi和Wei-Pin。

首先，对硅111基底进行清洗处理，先使用溶剂处理，随后在超高真空系统中加热，以去除基底表面的氧化层和杂质。为在硅表面沉积C84，需通过加热灯丝将外接电源的Castle蒸发器预热至500摄氏度，以促进杂质的脱气。接下来，将C84纳米颗粒装入Castle容器中。

然后，将烧瓶电阻加热至650摄氏度，使C84纳米颗粒汽化。接着，在低于5×10⁻⁸帕斯卡的压力下，通过一个受控阀门，将C84纳米颗粒以直线方式蒸发，使其沉积到硅基底上。随后，在超高压真空系统中将ALBA硅111基底在900摄氏度下预处理，以获得1×1结构。

将温度降低至650摄氏度，持续30分钟，以在基底表面沉积C84纳米颗粒。在ALBA硅基底上，于约750摄氏度下保持12小时，在此期间，粉末状C84纳米颗粒在硅111基底表面自组装形成高度均匀的富勒烯阵列。此时，将嵌有C84的硅基底置于扫描探针显微镜（SPM）样品台上。

将样品从交换室转移至样品制备室。将样品台插入超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）扫描头系统，并将样品转移至观察室。随后，将施加的样品偏压从负五伏扫描至正五伏。

接下来，单击IV测量项，以原子级分辨率测量嵌入C84的硅衬底上的隧穿电流谱。选择硅衬底上至少20个特定位置进行测量。为获得带隙能量，需按照文本方案中所述方法，从指定表面获取IV曲线。

随后，将嵌有C84的硅基底放置于场发射（FE）样品台上。将样品台插入场发射分析室中。然后，将分析室抽真空至约5×10⁻⁵帕斯卡的压力，以进行场发射测量。

手动将基底上的施加电压从100伏逐步增加至1,100伏。使用带电流放大器的高压源测量单元，测量场致发射电流随施加电压的变化关系。然后，将测试用基底置于光学发射测量系统样品腔室的中心位置。

然后，聚焦波长为325纳米的氦镉激光光源。设置好光谱仪后，通过收集和分析发射的光子来获取光致发光光谱。在进行磁力显微镜（MFM）测量之前，使用磁场强度约为2千奥斯特的磁铁对嵌有C84的硅基底样品进行磁化处理。

将磁化后的样品置于MFM样品台上后，使用磁力显微镜（MFM）的抬升模式，观察富勒烯在嵌入硅基底的磁畴中的微观结构，磁化方向垂直于样品表面。随后，在进行SQUID实验前，通过施加磁场强度约为2千奥斯特的磁铁，对嵌入C84的硅基底样品以及在该基底上的C84团簇进行磁化处理。将磁化后的样品放入SQUID中。

然后，在约2千奥斯特的范围内施加一个扫频磁场。在室温下通过SQUID测量获得磁化回线，该回线以磁化强度相对于外加磁场的形式绘制。为了测量嵌有C84的硅基底的刚度，首先将其中一个基底放置在原子力显微镜（AFM）的样品台上。

接下来，从合适的硅基底上在大气条件下获取力测量数据。使用原子力显微镜（AFM）和超高真空（UHV）系统，按照先前所述方法从合适的硅基底上获取力测量数据。为准备硅基底，请启动OSSD软件。

点击搜索按钮以显示搜索条件面板。选择硅基底、元素类型、重构结构、半导体电子、金刚石晶格、111晶面以及7×7图案。然后点击搜索按钮和确认按钮，以显示结构列表面板。

单击所需的硅111七乘七表面结构。然后，单击文件按钮，将坐标文件保存为xyz文件。接下来，启动Ovito软件，将xyz文件导入软件中，并使用切片命令截取适当尺寸的硅111七乘七表面结构的超晶胞，其在X和Y方向的尺寸为26.878乘以46.554埃平方。

使用模拟单元命令调整 X 和 Y 方向上的单元尺寸，并将单元平移至原点（零点）。使用仿射变换，点击变换矩阵，沿法线方向将模型平移 5.714 埃。使用切片命令沿法线方向切除最底部的原子层。

以 LAMMPS 格式导出数据文件。使用 LAMMPS 数据文件格式时，将定义晶胞边界。将 LAMMPS 格式的数据文件重新加载到 Ovito 中。

使用“在周期性边界处包裹”命令将结构在晶胞内重新排列。使用仿射变换并点击变换矩阵，将模型沿法线方向平移84.6埃。使用模拟晶胞命令将晶胞尺寸在Z方向调整为150埃。

以 LAMMPS 格式导出数据文件。将数据重新载入 Ovito，使用“显示周期性图像”功能，在 X 和 Y 方向上复制生成一个 5 乘 3 的超晶胞，以增大衬底的尺寸。

以LAMMPS格式导出数据文件。准备好适当尺寸的硅111超晶胞的配位文件后，将其加载到Ovito中。使用“显示周期性图像”功能，在X、Y和Z方向上分别复制成5×3×8的超晶胞，以增大衬底的尺寸。

使用仿射变换并选择变换矩阵，将模型沿 Z 方向平移 37.6184 埃至原点位置。以 LAMMPS 格式导出数据文件。使用文本编辑器合并硅 111 七乘七表面模型与硅 111 衬底模型的数据文件。

硅111七乘七衬底模型已准备就绪。为制备C84富勒烯单层，从网络下载C84富勒烯的坐标文件。使用自制程序复制七乘七排列成蜂窝结构的C84富勒烯。

接下来，使用自制程序将 C84 单层以三埃的距离铺设在硅 111 七乘七表面上。使用 load data 命令在 LAMMPS 脚本中加载模拟模型。然后，设置区域并使用 create atom 命令创建一个五纳米的球形探针。

最后，为LAMMPS压痕模拟准备输入脚本，并计算详细的力学性能。通过可控的自组装工艺在无序硅111表面制备了单层C84分子，此处展示了利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）在不同覆盖度下测得的一系列形貌图像。采用扫描隧道显微镜（STM）和光致发光分析技术研究了嵌入C84分子的硅基底的电子和光学特性。

样品优异的材料性能表明，纳米技术可用于在原子和纳米尺度上实现对物质的控制。磁力显微镜（MFM）和超导量子干涉仪（SQUID）结果揭示了嵌入C84的基底表面磁性。超高真空原子力显微镜（UHV-AFM）结果表明，嵌入C84的硅基底在高温、高功率、高频应用的纳米电子器件中，具有替代半导体碳化物的潜力。

此外还应用于磁性系统和微机电系统中。此处展示了C84嵌入基底纳米压痕的分子动力学模拟过程。此处展示了富勒烯嵌入基底的力学性能。

此处展示了随压入深度变化对应的快照。通过压入力随压入深度的变化结果，可计算C84单分子层的硬度、约化模量和膨胀刚度。目前普遍认为，由于纳米材料在化学、物理和力学性能上的层状单元特性，其将在科学与技术领域带来可应用的发展。

仅通过一层富勒烯，硅基底的性质即可发生显著改变。在本研究中，嵌入富勒烯的硅基底具有波浪状边缘、良好的燃料发射性能和高强度，且富勒烯本身具有磁性。我们相信，所提出的基底将在纳米技术的更广泛应用中表现出更优异的性能。

观看本视频后，您应能够充分理解如何开展表面磁性的实验与模拟。这些综合技术的演示将为研究人员探索材料基本特性提供重要途径。