WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 9 Влияние адсорбции атомов VI группы на работу выхода кремния © С.Ю. Давыдов Физико-технический институт им. А.Ф Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: sergei.davydov@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 25 октября 2004 г.) Предложена модель адсорбции атомов S, Se и Te на кремнии, с помощью которой удалось вполне адекватно описать изменение работы выхода систем S/Si(100) и Se/Si(111) в диапазоне покрытий от нулевого до монослойного. Методом связывающих орбиталей оценены энергии адсорбционной связи S-Si, Se-Si и Te-Si.

1. Экспериментальные исследования адсорбционных зависимости ( ), измеренные в работах [1,2,8]. Ясно, систем S/Si(100) [1] и Se/Si(100) [2] показали, что что достичь подобной цели можно, только построив субмонослойные пленки атомов VI группы на крем- достаточно простую (и, следовательно, грубую) модель нии вызывают увеличение работы выхода систем адсорбции атомов VI группы на кремнии.

2. Для начала проведем некотороые оценки. Атона 0.3 и 0.5 eV соответственно. При этом оказалось, что присутствовавшая на чистой грани Si(100) струк- мы S, Se и Te в свободном состоянии содержат четыре тура 2 1 переходит при монослойном покрытии по- электрона во внешних 3p-, 4p- и 5p-оболочках соответственно. То обстоятельство, что, согласно данным верхности кремния адсорбатом в структуру 1 1, так эксперимента для серы и селена [1,2,8], ( ) > 0, что на один поверхностный атом кремния приходится свидетельствует о переходе электронов с подложки на один адатом [1,2]. Такое явление было названо дереадатом, а именно: электрон с оборванной sp3-орбитали конструкцией и вызвало появление ряда теоретических кремния перескакивает на свободную p-орбиталь адаторабот (см., например, [3–7] и ссылки в них). Расчема VI группы. Энергия сродства к электрону A = 2.08, ты из первых принципов показали, что в субмоно2.02 и 1.97 eV для S, Se и Te соответственно [9]. С учеслойных пленках адатомы VI группы всегда заниматом кулоновского сдвига квазиуровня адатома [10] его ют мостиковые позиции между двумя поверхностными атомами кремния. При малых покрытиях = N/NML положение относительно вакуума принимает значение (N — концентрация адатомов, NML — концентрация eадатомов в монослое — 1 ML) адатомы располагают- A = A +, (1) ся непосредственно над асимметричными димерами и где e — заряд позитрона, — расстояние между адатовзаимодействуют с двумя образующими димер атомами мом и подложкой. Положение квазиуровня относительно кремния. С увеличением степени покрытия >0.5ML уровня Ферми (химического потенциала) подложки связь в димере Si-Si разрывается, тогда как связи с имеет вид двумя атомами кремния сохраняются. При = 1ML = A - s, (2) имеет место структура 1 1, чрезвычайно близкая по своей геометрии к идеальной (нереконструированной) где s —работа выхода субстрата.

структуре грани (100) кремния.

Параметр для серы примем равным полусумме Адсорбция селена на грани Si(100)-7 7 изучалась атомного радиуса ra = 1.04 [11,12] и ионного радиуса в работе [8]. Вновь оказалось, что с увеличением ri = 1.74 (по Гольдшмидту) или 1.84 (по Полинот нуля до 1 ML работа выхода системы увеличивается гу) [12], что дает 1.4 (если принять = ra, на 0.5 eV. Явной дереконструкции грани, однако, не получим положительное значение, что противоречит наблюдалось.

эксперименту, так как соответствует уменьшению рабоВ теоретических работах [3–7] изменение работы ты выхода, см. далее). Для селена вслед за авторами выхода адсорбционной системы в зависимости от работы [2] положим = 1.6, что совпадает с атомне рассматривалось. Это действительно довольно сложным радиусом Se [11]. Для Te также можно положить ная задача в рамках использованных в [3–7] подходов, ra 1.7 [8]. Вообще говоря, при определении основанных на локальном варианте формализма функ- параметра нужно учитывать, что при модельном ционала плотности: для каждого значения следует описании зависимости ( ) (см., например, [13,14] задавать геометрическую структуру адсорбированного и далее) величина 2 соответствует толщине двойного слоя и проводить соответствующий самосогласованный электрического слоя, образованного адсорбированными расчет. Поэтому в рамках такого подхода обычно рас- ионами и их изображениями в подложке. Ясно, что считывают лишь для нескольких конкретных зна- это довольно плохо определенный параметр, связанный чений (чаще всего для 0.5 и 1 ML). Цель настоя- с произволом в расположении соответствующей зерщей работы состоит в том, чтобы адекватно описать кальной плоскости. Поэтому под обычно понимают 1712 С.Ю. Давыдов некоторый эффективный радиус адатома (адиона). Отме- причем время жизни электрона на адатоме /, тим, однако, что принятое нами и авторами работы [2] где — постоянная Планка, 10 — безразмерный значение = 1.6 для селена практически совпадает коэффициент, практически не зависящий от геометрии со средним расстоянием между плоскостью димеров и адсорбированного слоя.

первым слоем атомов Se при малых (1.96 ) и больших Под монослойным покрытием в соответствии с (1.41 ) покрытиях [6]. То же относится и к теллуру: экспериментом понимаем поверхностную плотность по расчетным [8] и экспериментальным [15] данным атомов кремния (при = 1 ML реализуется струкрасстояние между плоскостями атомов Te и Si рав- тура 1 1): NML = 6.78 · 1014 cm-2 для грани (100) но 1.65. С другой стороны, принятое нами значение и 7.83 · 1014 cm-2 для грани (111). Тогда = 17.2eV для серы является средним расстояний S-Si, принятых и = 10 eV для S/Si(100), = 19.6eV и = 13 eV в работе [4] (1.04 ) и работе [6] (1.84 ). для Se/Si(100), = 22.7eV и = 16 eV для Se/Si(111).

Зная, получим для адсорбции на грани (100) крем- Если |Z| 1, выражение (4) можно упростить, запиния, имеющей работу выхода s = 4.9eV [8], значения сав (2 / ) = -0.25, -0.63 и -0.81 eV для S, Se и Te соот- Z( ). (5) 1 +(2/ ) 3/ветственно. Для адсорбции Se на грани (111) кремния s = 4.6eV [11], и получаем = -0.33 eV. Таким Особенностью зависимости изменения работы выхообразом, квазиуровень адатома во всех рассмотренных да от покрытия для адсорбции S и Se на кремслучаях действительно находится под уровнем Ферми, нии является ее линейный характер, сохраняющийся что отвечает переходу электрона с подложки на адатом.

до 0.5 ML в системах S/Si(100) и Se/Si(100) и до Для расчета зависимости ( ) воспользуемся ра 1 ML в системе Se/Si(111). Поэтому положим для нее предложенной нами моделью адсорбции [13,14]. простоты 2/ = 1. При нулевом покрытии заряд В рамках этой модели рассматривалась бесструктурная адатома Z0 2 /. Его величину можно найти из пленка и учитывались диполь-дипольное и обменное эксперимента, так как, согласно (1), имеем взаимодействия адатомов. Здесь мы не будем учитывать последнее, игнорируя тем самым уширение квазиуровня Z0 = -1. (6) адатома с ростом степени покрытия, так как атомные ра диусы элементов VI группы заметно меньше расстояния Обработка экспериментальных данных [1,2,8] с исмежду ближайшими адатомами на поверхности кремния:

пользованием полученных выше значений дает так, например, при монослойном покрытии атомами для S/Si(100) и Se/Si(100) значение Z0 -0.035, серы поверхности (100) кремния расстояние между для Se/Si(111) Z0 -0.044. Следовательно, сделанное адатомами, равное расстоянию между поверхностными нами предположение о малости заряда справедливо.

атомами Si, равно 3.83 [6]. Напомним, что в объемных Используя определенные выше значения, из сообразцах кремния расстояние между соседними атомами отношения 2/ = 1 найдем и. Для систем равно 2.35 [16], тогда как длины связей S-Si, Se-Si 0 S/Si(100), Se/Si(100) и Se/Si(111) получим соответствени Te-Si на грани (100) равны соответственно 2.23, но = 6.37, 8.28 и 10.2 eV; (1, 0.8, 0.6) · 10-16 s.

2.37 [4] и 2.52 [7]. Теперь, зная величины и экспериментальные значеИзменение работы выхода определяется выражением ния Z0, можно по соотношению Z0 = 2 / вычис ( ) =- Z( ), (3) лить значения энергии квазиуровня: = -0.35, -0.и -0.70 eV для S/Si(100), Se/Si(100) и Se/Si(111) согде ответственно, что достаточно хорошо согласуется с = 4e2NML, вычисленными по формулам (1) и (2) значениями.

Z — заряд адатома, связанный с числом заполнения Результаты расчета работы выхода представлены на изначально пустой p-орбитали адатома na соотношением рис. 1 в предположении, что во всех случаях моZ = -na. Заряд адатома вычисляется по формуле нослойному покрытию соответствует экспозиция, равная девяти дозам (см. подробнее [1,2,8]). Для случа3/2 - Z( ) ев адсорбции S/Si(100) и Se/Si(111) согласие теории Z( ) = arctg, (4) и эксперимента вполне удовлетворительное, тогда как для адсорбционной системы Se/Si(100) при покрытиях где 3/> 0.4 ML расхождение весьма значительное. Причина = 2e22NML — этого — аномальная линейность экспериментальной константа диполь-дипольного взаимодействия; —позависимости ( ) вплоть до 1 ML. Природа подобной луширина квазиуровня изолированного адатома, вклюЗдесь учтено, что заметное отклонение от линейности завичающая по определению все возможные процессы песимости ( ) связано с деполяризационным уменьшением велирехода электрона между адатомом и подложкой [17], чины заряда. В соответствии с выражением (5) заметное понижеК сожалению, авторы [1,2,8] не приводят значений работы выхода ние |Z| будет наблюдаться при покрытиях, отвечающих условию чистых граней кремниевой подложки и не сообщают тип ее проводи- (2/ )( )3/2 1. Положив = 1, получим соотношение, привемости. денное в тексте.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Влияние адсорбции атомов VI группы на работу выхода кремния аномалии в работе [2] не обсуждается. С точки зрения На рис. 2 представлена зависимость заряда адатомов теории подобного рода зависимость от также труд- от степени покрытия. С ростом величина заряда убывает в 2 раза (деполяризация) практически линейно.

но объяснить. Исходя из выражения (3) следует сделать Таким образом, предположение о постоянстве заряда, вывод, что во всем диапазоне субмонослойных покрытий сделанное в работе [2], вызывает сомнение.

заряд адатомов селена одинаков, т. е. процессы деполяри3. В работе [8] изучалась совместная адсорбция Se зации отсутствуют, что явно противоречит современной и Cs на Si(111). Было показано, что с ростом конкартине адсорбции [18]. Здесь, по-видимому, требуются центрации цезия при постоянной концентрации селена дополнительные экспериментальные исследования.

работа выхода системы Se/Cs/Si(111) понижается, так что при цезиевых покрытиях, равных 0.09 ML, величина ( ) становится отрицательной во всем диапазоне 0 1 ML. Объясняется этот эффект достаточно просто. При нанесении субмонослойных пленок металлов на кремний работа выхода системы понижается (см., например, [13,14,17] и ссылки в этих статьях).

Исходя из соотношений (3) и (4), получим Z = -, s s Z 2a =, (7) 3/s 1 + 2a s где плотность состояний на адатоме a a( ) =. (8) 3/ ( - Z)2 + Для электроотрицательных (приобретающих электроны) адсорбатов, к которым относятся атомы VI группы, в соответствии с (2) имеем /s = -1, для электроположительных (отдающих электроны) адсорбатов, Рис. 1. Зависимость изменения работы выхода от степени к которым относятся металлы, /s = 1, так как покрытия поверхности кремния атомами VI группы. Кружки — = s +(e2/4) - I, где I — потенциал ионизации экспериментальные данные работы [1] для системы S/Si(100), атома металла. Таким образом, в нашем случае получим крестики — данные [2] для Se/Si(100), треугольники — дан 2a ные [8] для Se/Si(111).

=. (9) s 1 + 2a 3/Отсюда следует, что с увеличением работы выхода подложки s, т. е. с уменьшением концентрации атомов цезия на кремнии, работа выхода системы возрастает, что и наблюдается в эксперименте [8].

4. Для проверки полученных результатов рассмотрим адсорбцию изолированного атома в так называемом режиме поверхностной молекулы, когда учитывается взаимодействие адатома только с одним атомом подложки. Для расчета энергии связей S-Si, Se-Si и Te-Si и эффективных зарядов атомов S, Se и Te воспользуемся методом связывающих орбиталей Харрисона [19,20], рассматривая взаимодействие пустых p-состояний адсорбируемого атома с однократно заполненными sp3-состояниями кремния (четыре электрона, находящиеся в p-состояниях, образуют две уединенные электронные пары [21]). Как показано в [22], матричный элемент взаимодействия этих орбиталей (или ковалентная энергия связи V2 по определению [15,16]) равен V2 = Vsp + 3Vpp, (10) Рис. 2. Зависимость величины заряда адатомов |Z| от степени где входящие в сумму матричные элементы Vij отвепокрытия. Нумерация кривых соответствует приведенной на рис. 1. чают -взаимодействию s-p- и p-p-орбиталей. Длина 12 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1714 С.Ю. Давыдов Характеристики связей поверхностного атома кремния с атотали заряды и энергии связи в предположении, что мами VI группы с sp3-состоянием кремния взаимодействует sp3- или sp2-состояние атома VI группы. Это приводит, однако, Параметр S Se Te к слишком высоким значениям |Z| и Eb.

d, 2.23 2.37 2.Таким образом, в рамках простой модели нам удалось |V2|, eV 4.03 3.57 3.вполне удовлетворительно описать повышение работы |V3|, eV 1.00 0.63 0.выхода систем S/Si(100) и Se/Si(111) при увеличеp 0.24 0.17 0.нии, а также объяснить характер изменения при Z -0.11 -0.06 (100) -0.совместной адсорбции цезия и селена на грани Si(111).

-0.03 (111) Eb, eV 4.15 3.63 3.Список литературы [1] A. Papageorgeopoulos, M. Kamaratos. Surf. Sci. 352–354, связи d атомов S, Se и Te с атомом Si (Vij d-2) (1996).

принималась равной 2.23, 2.37 [4] и 2.52 [7] для [2] A. Papageorgeopoulos, M. Kamaratos. Surf. Sci. 466, 1, адсорбции на грани Si(100). Какие-либо данные о длине (2000).

[3] E. Kaxiras. Phys. Rev. B 43, 12, 6824 (1991).

связи Se-Si при адсорбции селена на Si(111) в [8] не [4] P. Krger, J. Pollmann. Phys. Rev. B 47, 4, 1898 (1993).

приводятся. Однако, поскольку сумма ковалентных ра[5] M. Cakmak, G.P. Srivastava. J. Appl. Phys. 84, 11, диусов селена и кремния равна 2.34, что очень близко (1998).

к длине адсорбционной связи Se-Si на грани (100), мы [6] M. Cakmak, G.P. Srivastava, S. Ellialtioglu, K. Colakoglu. Surf.

принимаем и в данном случае d = 2.37.

Sci. 507–510, 29 (2002).

Значения атомных термов s и p брались из таблиц [7] P. Sen, S. Ciraci, I.P. Batra, C.H. Grein, S. Sivananthan. Surf.

Хермана-Скиллмана, приведенных в [19]. Энергия свяSci. 519, 1, 79 (2002).

зи Eb (на одну связь) вычисляется по формуле [8] A. Papageorgeopoulos, M. Kamaratos. J. Phys.: Cond. Matter 14, 22, 5255 (2002).

2 Eb = V2 + V3. (11) [9] А.А. Радциг, Б.М. Смирнов. Параметры атомов и атомных ионов. Справочник. Энергоатомиздат, М. (1986).

[10] Теория хемосорбции / Под ред. Дж. Смита. Наука, М.

Здесь полярная энергия V3 = (h - p), где 1 (1983).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.