Atomistic molecular dynamics simulations of chemical force microscopy

Journal of the American Chemical Society

Volumn 125, Issue 22, 2003, Pages 6762-6773

  Patrick, David L ^a   Flanagan, John F ^a   Kohl, Patrick ^a   Lynden Bell, Ruth M ^b  

^a WESTERN WASHINGTON UNIVERSITY   (United States)

^b QUEEN'S UNIVERSITY BELFAST   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ADHESION; COMPOSITION; COMPUTER SIMULATION; SELF ASSEMBLY; SOLIDIFICATION; TRIBOLOGY;

CHEMICAL FORCE MICROSCOPY;

MOLECULAR DYNAMICS;

THIOL DERIVATIVE;

ADHESION; ARTICLE; CHEMICAL FORCE MICROSCOPY; FILM; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR INTERACTION;

EID: 0038656732     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja0345367     Document Type: Article

References (121)

1. Bowden, F. P.; Tabor, D. The Friction and Lubrication of Solids; Clarendon Press: Oxford, 1985.
2. Binning, G.; Quate, C. F.; Gerber, Ch. Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 930.
3. Iler, R. K. The Chemistry of Silica; Wiley-Interscience: New York, 1979.
4. Frisbie, C. D.; Rozsnyai, L. F.; Noy, A.; Wrighton, M. S.; Lieber, C. M. Science 1994, 265, 2071.
5. (a) Green, J.-B. D.; McDermott, M. T.; Porter, M. D. J. Phys. Chem. 1995, 99, 10960.
6. (b) Akari, S.; Horn, D.; Kellar, H.; Schrepp, W. Adv. Mater. 1995, 7, 549.
7. (c) Heaton, M. G.; Prater, C. B.; Kjoller, K. J. Adv. Mater. Processes 1996, 149, 27.
8. (a) Noy, A.; Frisbie, C. D.; Rozsnyai, L. F.; Wrighton, M. S.; Lieber, C. M. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 7943.
9. (b) Akari, S.; Schrepp, W.; Horn, D. Ber. Bunsen-Ges. 1996, 100, 1014.
10. (c) McDermott, M. T.; Green, J.-B. D.; Porter, M. D. Langmuir 1997, 13, 2504.
11. (d) Meyer, E.; Overney, R.; Brodbeck, D.; Howald, L.; Luthi, R.; Frommer, J.; Guntherodt, H.-J. Phys. Rev. Lett. 1992, 69, 1777.
12. (a) Han, T.; Williams, J. M.; Beebe, T. P., Jr. Analytica Chim. Acta 1995, 307, 365.
13. (b) Williams, J. M.; Han, T.; Beebe T. P., Jr. Langmuir 1996, 12, 1291.
14. (c) Wenzler, L. A.; Moyes, G. L.; Olson, L. G.; Harris, J. M.; Beebe, T. P., Jr. Anal. Chem. 1997, 69, 2855.
15. (d) Wenzler, L. A.; Moyes, G. L.; Raikar, G. N.; Hansen, R. L.; Harris, J. M.; Beebe, T. P., Jr.; Wood, L.; Saavedra, S. S. Langmuir 1997, 13, 3761.
16. (e) van der Vegte, E. W.; Hadziioannou, G. Langmuir 1997, 13, 4357.
17. Sinniah, S. K.; Steel, A. B.; Miller, C. J.; Reutt-Robey, J. E. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8925.
18. (a) Vezenov, D. V.; Noy, A.; Rozsnyai, L. F.; Lieber, C. M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2006.
19. (b) Ashby, P. D.; Chen, L.; Lieber, C. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 9467.
20. McKendry, R.; Theoclitou, M.-E.; Rayment, T.; Abell, C. Nature 1998, 391, 566.
21. Noy, A.; Vezenov, D. V.; Lieber, C. M. Annu. Rev. Mater. Sci. 1997, 27, 381.
22. Carpick, R. W.; Salmeron, M. Chem. Rev. 1997, 97, 1163.
23. (a) Sheiko, S. S.; Moller, M.; Reuvekamp, E. M. C. M.; Zandbergen, H. W. Ultramicroscopy 1994, 53, 371.
24. (b) Xu, S.; Arnsdorf, M. F. J. Microsc. (Oxford) 1994, 173, 199.
25. Ito, T.; Madoka, N.; Bühlmann, P.; Umezawa, Y. Langmuir 1997, 13, 4323.
26. (a) Hoh, J. H.; Cleveland, J. P.; Prater, C. B.; Revel, J.-P.; Hansma, P. K., J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 4917.
27. (b) Skulason, H.; Frisbie, C. D. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 15125.
28. Skulason, H.; Frisbie, C. D. Anal. Chem. 2002, 74, 3096.
29. (a) Goodman, F. O.; Garcia, N. Phys. Rev. B 1991, 43, 4728.
30. (b) Hartmann, U. Phys. Rev. B 1991, 43, 2404.
31. Tomanek, D.; Zhong, W.; Thomas, H. Europhys. Lett. 1991, 15, 887.
32. Sokolov, I. Y. Surf. Sci. 1994, 311, 287.
33. Abraham, F. F.; Batra, I. P.; Ciraci, S. Phys. Rev. Lett. 1988, 60, 1314.
34. (a) Sasaki, N.; Tsukada, M. Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 1995, 34, 3319.
35. (b) Xu, L.; Yao, X.-W.; Zhang, L.-P.; Li, M.-Q.; Yang, F.-J. Phys. Rev. B 1995, 51, 10013.
36. (c) Tang, H.; Joachim, C.; Devillers, J. Surf Sci. 1993, 291, 439.
37. (d) Gould, S. A. C.; Burke, K.; Hansma, P. K. Phys. Rev. B 1989, 40, 5363.
38. (e) Abraham, F. F.; Batra, I. P. Surf. Sci. Lett. 1989, 209, L125.
39. (a) Sumpter, B. G.; Getino, C.; Noid, D. W.; Wunderlich, B. Makromol. Chem., Theory Simul. 1993, 2, 55.
40. (b) Rafii-Tabar, H.; Pethica, J. B.; Sutton, A. P. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1992, 239, 313.
41. (c) Sutton, A. P.; Pethica, J. B. J. Phys.: Condens. Matter 1990, 2, 5317.
42. (d) Landman, U.; Harrison, J. A.; White, C. T.; Colton, R. J.; Brenner, D. W. Surf. Sci, 1992, 271, 57.
43. (e) Shluger, A. L.; Wilson, R. M.; Williams, R. T. Phys. Rev. B 1994, 49, 4915.
44. (f) Tsujimishi, K.; Tamura, H.; Hirotani, A.; Kubo, M.; Komiyama, M.; Miyamoto, A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4260.
45. (g) Jung, T. A.; Schlittler, R. R.; Gimzewski, J. K.; Tang, H.; Joachim, C. Science 1996, 271, 181.
46. (h) Sinnott, S. B.; Colton, R. J.; White, C. T.; Brenner, D. W. Surf. Sci. Lett. 1994, 316, L1055.
47. (i) Harrison, J. A.; White, C. T.; Colton, R. J.; Brenner, D. W. Thin Solid Films 1995, 260, 205.
48. (j) Landman, U.; Luedtke, W. D. J. Vac. Sci. Technol. 1991, B9, 414.
49. (k) Sumpter, B. G.; Getino, C.; Noid, D. W. J. Chem. Phys. 1992, 96, 7072.
50. (l) Harrison, J. A.; White, C. T.; Colton, R. J.; Brenner, D. W. Phys. Rev. B 1992, 46, 9700.
51. (a) Ness, H.; Gautier, F. J. Phys.: Condens. Matter 1995, 7, 6625.
52. (b) Ness, H.; Gautier, F. J. Phys.: Condens. Matter 1995, 7, 6641.
53. (c) Komiyama, M.; Tsujmishi, K.; Ohkubo, S.; Tazawa, K.; Kubo, M.; Miyamoto, A. Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 1995, 34, L789.
54. (d) Shluger, A. L.; Rohl, A. L.; Wilson, R. M.; Williams, R. T. J. Vac. Sci. Technol. 1995, B13, 1155.
55. Ciraci, S.; Baratoff, A.; Batra, I. P. Phys. Rev. B 1990, 41, 2763.
56. Harrison, J. A.; Brenner, D. W. In The Handbook of Micro/Nano Tribology; Bhushan, B., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, 1995.
57. (a) Leng, Y. S.; Jiang, S. J. Chem. Phys. 2000, 113, 8800.
58. (b) Siepmann, J. I.; McDonald, I. R., Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 453.
59. (c) Karaborni, S. Phys. Rev. Lett 1994, 73, 1668.
60. (d) Glosli, J. N.; McClelland, G. M. Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 1960.
61. (e) Tupper, K. J.; Colton, R. J.; Brenner, D. W. Langmuir 1994, 10, 2041.
62. (f) Callaway, M.; Tildesley, D. J.; Quirke, N. Langmuir 1994, 10, 3350.
63. (g) Bonner, T.; Baratoff, A. Surf. Sci. 1997, 377-379, 1082.
64. Leng, Y.; Jiang, S. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11764.
65. (a) Brust, M.; Fink, J.; Bethell, D.; Schiffrin, D. J.; Kiely, C. J. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 1655.
66. (b) Badia, A.; Gao, W.; Singh, S.; Demers, L.; Cuccia, L.; Reven, L. Langmuir 1996, 12, 1262.
67. (c) Badia, A.; Singh, S.; Demers, L.; Cuccia, L.; Brown, G. R.; Lennox, R. B. Chem.-Eur. J. 1996, 2, 359.
68. (d) Terrill, R. H.; Postlethwaite, T. A.; Chen, C.-H.; Poon, C.-D.; Terzis, A.; Chen, A.; Hutchison, J. E.; Clark, M. R.; Wignall, G.; Londono, J. D.; Superfine, R.; Falvo, M.; Johnson, C. S., Jr.; Samulski, E. T.; Murray, R. W. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12537.
69. (e) Brust, M.; Fink, J.; Bethell, D.; Schiffrin, D. J.; Kiely, C. J. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 1655.
70. Hostetler, M. J.; Stokes, J. J.; Murray R. W. Langmuir 1996, 12, 3604.
71. Luedtke, W. D.; Landman, U. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13323.
72. Hautman, J.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1989, 91, 4994.
73. Tupper, K. J.; Brenner, D. W. Langmuir 1994, 10, 2335.
74. Ryckaert, J. P.; Bellemans, A. J. Chem. Soc., Faraday Discuss. 1978, 66, 95.
75. Hostetler, M. J.; Wingate, J. E.; Zhong, C.-J.; Harris, J. E.; Vachet, R. W.; Clark, M. R.; Londono, J. D.; Green, S. J.; Stokes, J. J.; Wignall, G. D.; Glish, G. L.; Porter, M. D.; Evans, N. D.; Murray, R. W. Langmuir 1998, 14, 17.
76. Porter, L. A., Jr.; Ji, D.; Westcott, S. L.; Graupe, M.; Czemuszewicz, R. S.; Halas, N. J.; Lee, T. R. Langmuir 1998, 14, 7378.
77. Badia, A.; Cuccia, L.; Demers, L.; Morin, F. G.; Lennox, R. B. J. Am. Chem. Soc. 1997, 1199, 2682.
78. (a) Castner, D. G.; Hinds, K.; Grainger, D. W. Langmuir 1996, 12, 5083.
79. (b) Badia, A.; Demers, L.; Dickinson, L.; Morin, F. G.; Lennox, R. B.; Reven, L. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11104.
80. Siepmann, J. I.; McDonald, I. R. Langmuir 1993, 9, 2351.
81. (a) Camillone N., III.; Chidsey, C. D. D.; Eisenberger, P.; Fenter, P.; Li, J.; Liang, K. S.; Liu, G.-Y.; Scoles, G. J. Chem. Phys. 1993, 99, 744.
82. (b) Anselmetti, D.; Baratoff, A.; Güntherodt, H.-J.; Delamarche, E.; Michel, B.; Gerber, Ch.; Kang, H.; Wolf, H.; Ringsdorf, H. Europhys. Lett. 1994, 27, 365.
83. Henda, R.; Grunze, M.; Pertsin, A. J. Tribol. Lett. 1998, 5, 191.
84. Forester, T. R. Daresbury Laboratory: Warrington WA4 4AD, United Kingdom.
85. Dubois, L. H.; Nuzzo, R. G. Annu. Rev. Phys. Chem. 1992, 43, 437.
86. (a) Chen, Y. L.; Helm, C. A.; Israelachvili, J. N. J. Phys. Chem. 1991, 95, 10736.
87. (b) Joyce, S. R.; Michalske, R. A.; Crooks, R. M. Phys. Rev. Lett. 1992, 68, 2790.
88. Blackman, G. S.; Mate, C. M.; Philpott, M. R. Phys. Rev. Lett. 1990, 65, 2270.
89. (a) Tabor, D.; Winterton, R. H. S. Nature 1968, 219, 1120.
90. (b) Israelachvili, J. N.; Tabor, D. Proc. R. Soc. London, Ser. A 1972, 331, 19.
91. (a) Joyce, S. A.; Houston, J. E. Rev. Sci. Instrum. 1991, 62, 710.
92. (b) Joyce, S. A.; Houston, J. E.; Michalske, T. A. Appl. Phys. Lett. 1992, 60, 1175.
93. (a) Jarvis, S. P.; Oral, A.; Weihs, T. P.; Pethica, J. B. Rev. Sci. Instrum. 1993, 64, 3515.
94. (b) Jarvis, S. P.; Yamada, H.; Yamamoto, S.-I.; Tokumoto, H. Rev. Sci. Instrum. 1996, 67, 2281.
95. (a) Nuzzo, R. G.; Fusco, F. A.; Allara, D. L. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 2358.
96. (b) Nuzzo, R. G.; Dubois, L. H.; Allara, D. L. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 558.
97. Jacobson, K.; Sheets, E. D.; Simson, R. Science 1995, 268, 1441.
98. Bhatia, R.; Garrison, B. J. Langmuir 1997, 13, 765.
99. Mar, W.; Klein, M. Langmuir 1994, 10, 188.
100. Fenter, P.; Eisenberger, P.; Liang, K. S. Phys. Rev. Lett. 1993 70, 2447.
101. (a) Staub, R.; Alliata, D.; Nicolini, C. Rev. Sci. Instrum. 1995, 66, 2513.
102. (b) Hues, S. M.; Draper, C. F.; Lee, K. P.; Colton, R. J. Rev. Sci. Instrum. 1994, 65, 1561.
103. (a) Imabayashi, S.; Hobara, D.; Kakiuchi, T. Langmuir 2001, 17, 2560.
104. (b) Schönenberger, C.; Jorritsma, J.; Sondag-Huethorst, J. A. M.; Fokkink, L. G. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 3259.
105. (c) Arce, F. T.; Vela, M. E.; Salvarezza, R. C.; Arvia, A. J. Electrochim. Acta 1998, 44, 1053.
106. (d) Edinger, K.; Golzhäuser, A.; Demota, K.; Wöll, Ch.; Grunze, M. Langmuir 1993, 9, 4.
107. (e) McDermott, C. A.; McDermott, M. T.; Green, J. B.; Porter, M. D. J. Phys. Chem. 1995, 99, 13257. Poirier, G. E. Langmuir 1997, 13, 2019.
108. (e) McDermott, C. A.; McDermott, M. T.; Green, J. B.; Porter, M. D. J. Phys. Chem. 1995, 99, 13257. Poirier, G. E. Langmuir 1997, 13, 2019.
109. Hostetler, M. J.; Stokes, J. J.; Murray, R. W. Langmuir 1996, 12, 3604.
110. Johnson, K. L.; Kendall, K.; Roberts, A. D. Proc. R. Soc. London, Ser. A 1971, 324, 301.
111. Derjaguin, B. V.; Muller, V. M.; Toporov, P. J. Colloid Interface Sci. 1975, 53, 314.
112. Maugis, D. J. Colloid Interface Sci. 1991, 150, 243.
113. Hertz, H. In Miscellaneous Papers; Macmillan: London, 1896; p 146.
114. Burns, A. R.; Houston, J. E.; Carpick, R. W.; Michalske, T. A. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 1181.
115. Joyce, A.; Thomas, R. C.; Houston, J. E.; Michalske, T. A.; Crooks, R. M. Phys. Rev. Lett. 1992, 68, 2790.
116. Shull, K. R. Mater. Sci. Eng. R 2002, 36, 1.
117. The JKR model explicitly separates the elastic and surface energy components (Johnson, K. L. Contact Mechanics; Cambridge University Press: Cambridge, 1985), while the energy derived by integrating the force-distance curve includes both contributions. However, the only elastic part in the model comes from stretching of the thiols, which perhaps should be included in the surface energy anyway, since the film is just one molecule thick (as the substrates are rigid and do not interact with one another, they do not contribute any elastic energy).
118. min = -3/2πWR.
119. Thomas, R. C.; Houston, J. E.; Crooks, R. M.; Kim, T.; Michalske, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 3830.
120. (a) Evans, E.; Ritchie, K. Biophys. J. 1997, 72, 1541.
121. (b) Seifert, U. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 2750.