In、Tl在Si(111)面吸附特性的第一性原理研究.pdf

1、Ⅲ主族金屬元素(如Al，Ga和In)在Si表面的吸附長(zhǎng)期以來(lái)一直受到眾多理論和實(shí)驗(yàn)研究者的關(guān)注，最近，Ⅲ族最重的元素鉈(T1)在Si(111)面吸附的獨(dú)特性質(zhì)引起了人們的極大興趣。通過低能電子衍射(LEED)，Visikovskiy等人發(fā)現(xiàn)T1吸附在Si(111)表面時(shí)，由于外加直流電壓極性的轉(zhuǎn)換，表面結(jié)構(gòu)在(1×1)和(()3×()3)之間存在可逆的結(jié)構(gòu)改變，這種結(jié)構(gòu)改變是由T1原子的表面電遷移(SE)引起的。另外，他們發(fā)現(xiàn)In在Si

2、(111)面電遷移后形成具有(4×1)結(jié)構(gòu)的表面硅化物，不具有可逆性；Tl在Ge(111)面電遷移后形成具有(3×1)結(jié)構(gòu)的表面鍺化物，也不具有可逆性。截至目前，可逆的表面電遷移是T1在Si(111)面所特有的。T1在Si(111)面獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)的機(jī)理還不清晰，并且這種特性可能具有潛在應(yīng)用價(jià)值，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。 本文利用基于密度泛函理論的第一原理總能計(jì)算方法，采用超原胞模型，分別對(duì)體材料Si及T1和In在Si(1

3、11)面的吸附特性進(jìn)行了理論研究。 首先，研究了體材料Si。分別用US-PP(Ultrasoft-Pseudopotentials)勢(shì)和PAW(ProjectorAugmented-Wave)勢(shì)對(duì)硅的品格常數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明用US-PP勢(shì)計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值，并且用時(shí)較少。優(yōu)化得到硅的理論品格常數(shù)為5.391A，分析了體材料硅的總態(tài)密度和分波態(tài)密度。 其次，研究了In原子在Si(111)表面的吸附。計(jì)算在不同T

4、1覆蓋度下各種吸附結(jié)構(gòu)的吸附能。si(111)表面用超原胞模型模擬，襯底選取10層Si原子，真空層厚度為15 A。對(duì)(2×2)和(()3×()3)R30°兩種超原胞，布里淵區(qū)分別用(4×4×1)和(7×7×1)個(gè)K點(diǎn)進(jìn)行積分。由計(jì)算結(jié)果可知：In原子吸附在Si(111)-(2×2)表面的H3位是較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，In-Si鍵長(zhǎng)約為2.73A，In原子處于Si(111)表面上方約1.63A處，這與STM測(cè)得的1.5±0.2A的值符合得很好，覆

5、蓋度在1/4 ML和1 ML之間每個(gè)In原子吸附能變化為1.03eV。電子態(tài)密度顯示：In的吸附對(duì)Si(111)表面的電子分布產(chǎn)生較大的影響，出現(xiàn)了三個(gè)表面態(tài)，一個(gè)未占據(jù)表面態(tài)，一個(gè)穿過費(fèi)米能級(jí)，還有一個(gè)為占據(jù)表面態(tài)，表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的金屬性。由差分電荷密度可看出，In吸附Si表面后，電子云重新分布，In原子電荷發(fā)生極化，In原子正負(fù)電荷重心不再重合，In原子實(shí)際成為一個(gè)偶極子，表面形成較強(qiáng)的In-Si極性共價(jià)鍵。 進(jìn)一步研究了T

6、1原子在Si(111)表面的吸附。覆蓋度從1/3ML到1 ML每個(gè)T1原子吸附能變化為0.52eV，這比In原子吸附能變化小了約0.51eV，也就是說(shuō)，相同條件下，T1在Si(111)面上比In在Si(111)面時(shí)，結(jié)構(gòu)更易發(fā)生改變。在考慮的構(gòu)型中，最穩(wěn)定的是T1吸附在si(111)(()3×()3)R30°表面的T4位，其吸附能比In在Si(111)-(2×2)表面的高約0.48eV/adatom。覆蓋度從1/3ML到1ML，T1原子

7、吸附能變化比In原子的小了約0.51eV，Tl比In在Si(111)面吸附時(shí)，結(jié)構(gòu)更易改變。T1-Si鍵長(zhǎng)和T1原子距離第二層Si原子的垂直高度分別為2.90A和2.79A，與In/Si體系相比分別長(zhǎng)約0.17A和0.48A。T1原子在Si表面吸附后，電子云重新分布使T1原子也成為一個(gè)偶極子，差分電荷密度圖顯示T1比In極化程度更大，前者具有更大的電偶極矩，在相同外加電場(chǎng)作用下，更易移動(dòng)。另外，T1-Si間增加的電荷密度要比In-Si間

8、的小約0.077e/A3，可見Tl-Si結(jié)合比In-Si要弱。這些都解釋了實(shí)驗(yàn)上T1在Si(111)吸附是容易發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，其表面的電遷移是可逆的，而In在Si(111)表面的電遷移卻是不可逆的。 T1原子比A1、Ga和In原子半徑大很多，在Si(111)面吸附時(shí)其吸附高度大，T1-Si結(jié)合較弱，T1形成的電偶極子的電偶極矩較大，導(dǎo)致T1在Si(111)面吸附時(shí)容易因溫度，電場(chǎng)等原因而發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，并且一定條件下該過程具有可逆