Хімія, фізика та технологія поверхні, 2014, 5 (3), 256-274.

Структура і властивості первинних поверхневих утворень германію на грані Si(001): квантовохімічні дослідження



O. I. Tkachuk, M. I. Terebinska, V. V. Lobanov

Анотація


Проведено порівняльний аналіз застосування методів квантової хімії різного ступеня складності для опису структури і властивостей чистої грані Si(001) і грані, яка містить декілька атомів германію. Встановлено, що найбільш раціональним з точки зору як відтворюваності відомих експериментально встановлених результатів і прогнозування нових невідомих фактів, так і помірних витрат обчислювального часу і машинних ресурсів є метод теорії функціоналу густини в кластерному наближенні з використанням обмінно-кореляційного функціонала B3LYP та базису 6-31 G**. Показано, що саме в цьому наближенні квантовохімічні розрахунки правильно передають довжину поверхневих димерних зв’язків >Si–Si<, >Si–Ge< і >Ge–Ge< і відтворюють експериментально встановлений факт їх буклювання.

Ключові слова


грань Si(001); атоми германію на поверхні; теорія функціоналу густини; кластерне наближення

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


1. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В. и др. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и энергетические свойства.ФТП. – 2000. – Т. 34, № 11. – Р. 1281–1299.

2. Brunner K. Si/Ge nanostructures. Rep. Prog. Phys. – 2002. – V. 65. – P. 27–72.

3. Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников. – Москва: Мир, 1990. – 484 с.

4. Kinoshita T., Kono S., Sagawa T. Angle-resolved photoelectron-spectroscopy study of the Si(111) ×-Sn surface: Comparison with Si(111) ×-Al, -Ga, and -In surfaces.Phys. Rev. B. – 1986. – V. 34. – P. 3011–3014.

5. Northrup J.E. Si(111) ×-Al: an adatom-induced reconstruction. Phys. Rev. Lett. – 1984. – V. 53. – P. 683–690.

6. Srivastava G.P., Weaire D. The theory of the cohesive energies of solids. Adv. Phys. – 1987. – V. 36, N 4. – P. 463–517.

7. Chiarotti G., Nannarote S., Postore R., Chiarotti P. Optical absorption of surface states in ultrahigh vacuum cleaved (111) surfaces of Ge and Si. Phys. Rev. – 1971. – V. B4. – P. 3398.

8. Jung Y., Akinaga Y., Jordan K.D., Gordon M.S. An ab initio study of the structure of two-, three- and five-dimer silicon clusters: An approach to the Si(100) surface. Theor. Chem. Acc. – 2003. – V. 109. – P. 268–273.

9. Schmidt M.W., Gordon M.S. The construction and interpretation of MCSCF wavefunctions. Annu. Rev. Phys. Chem. – 1998. – V. 4. – P. 233–266.

10 .Pople J.A., Krisman R., Schleger H.B., Binkley J.S. Electron correlation theories to the study of simple reaction potential surfaces. Int. J. Quantum Chem. – 1978. – V. 14, N 5. – P. 545–560.

11. Yong D.C. Computation Chemistry. A Practical Guide for Applying Techniques to Real-world Problems. – N.Y.: Wiley Interscience, 2001. – 381 p.

12. Parr R.G., Yang W. Density-functional Theory of Atoms and Molecules.Oxford: Oxford Univ. Press – 1989. – 333 p.

13. Jones R.O., Gunnarsson O. The density functional formalism, its applications and prospects. Rev. Mod. Phys. – 1989. – V. 61, N 3. – P. 689–746.

14. Becke A.D., Burke K. Correlation energy of an inhomogeneous electron gas: A coordinate-space model. J. Chem. Phys. – 1988. – V. 88, N 2. – P. 1053–1062.

15. Becke A.D. Density-functional thermoche-mistry. 3. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. – 1993. – V. 98. – P. 5648–5652.

16. Redondo A, Goddard W.A. III Electronic correlation and the Si(100) surface: Buckling versus nonbuckling. J. Vac. Sci. Technol. – 1982. – V. 21. – P. 344–650.

17. Paulus B. Calculations for the reconstruction of the Si(100) surface. Surf. Sci. – 1998. – V. 408. – P. 195–202.

18. Shoemaker J., Burggraf J.W., Gordon M.S. An ab initio cluster study of the structure of the Si(001) surface. J. Chem. Phys. – 2000. – V. 112. – P. 2994–3005.

19. Gordon M.S., Shoemaker J.R., Burggraf L.W. Response to ‘‘Comment on ‘An ab initio cluster study of the structure of the Si(001) surface’ ’’. J. Chem. Phys. – 2000. – V. 113. – P. 9355–9356.

20. Hess J.S., Doren D.J. Comment on ‘‘An ab initio cluster study of the structure of the Si(001) surface’’. J. Chem. Phys. – 2000. – V. 113. – P. 9353–9354.

21. Konecny R., Doren D.J. Adsorption of water on Si(100)-(2×1): A study with density functional theory. J. Chem. Phys. – 1997. – V. 106. – P. 2426–2435.

22. Yang C., Kang H.C. Geometry of dimer reconstruction on the C(100), Si(100), and Ge(100) surfaces. J. Chem. Phys. – 1999. – V. 110. – P. 11029–11037.

23. Penev E., Kratzer P., Scheffler M. Effect of the cluster size in modeling the H2 desorption and dissociative adsorption on Si(001). J. Chem. Phys. – 1999. – V. 110. – P. 3986–3994.

24. Yang C., Lee S.Y., Kang H.C. An embedded cluster study of dimer buckling on the Si(100) surface. J. Chem. Phys. – 1997. – V. 107. – P. 3295–3299.

25. Davidson E. R., Feller D. Basis set selection for molecular calculations. Chem. Rev. – 1986. – V. 86, N 4. – P. 681–696.

26. Hay P.J., Wadt W.R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms Sc to Hg. J. Chem. Phys. – 1985. – V. 82. – P. 270–283.

27. Wang Y., Shi M., Rabalais J. W. Structure of the Si{100} surface in the clean (2×1), (2×1)-H monohydride, (1×1)-H dihydride, and c(4×4)-H phases. Phys. Rev. – 1993. – B48. – P. 1678–1683.

28. Jung Y., Shao Y., Gordon M.S. et al. Are both symmetric and buckled dimers on Si(100) minima? Density functional and multireference perturbation theory calculations. J. Chem. Phys. – 2003. – V. 119. – P. 10917–10923.

29. Paz O., da Silva A.J.R., Saenz J.J., Artacho E. Electron correlation in the Si(001). Surf. Sci. – 2001. – V. 482–485. – P. 458–463.

30. Neugebauer J., Scheffeler M. Adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions of Na and K adlayers of Al(111). Phys. Rev. B. – 1992. – V. 46, N 24. – P. 16067–16080.

31. Artacho E., Yndura F. Proposal for symmetric dimers at the Si(100)-2×1 surface. Phys. Rev. Lett. – 1989. – V. 62. – P. 2491–2497.

32. Gay S.C.A., Srivastava G.P. Dimer length variation for different reconstructions of Si, Ge, and mixed Si-Ge dimers on Si(001) and Ge(001) substrates. Phys. Rev. – 1999. –V. B 60. – P. 1488–1492.

33. Perdew J.P., Zunger A. Self-interaction correction to density-functional approxima-tions for many-electron systems. Phys. Rev. B. – 1981. ­ V. 23. – P. 5048–5055.

34. Bachelet G.B., Hamann D.R., Schlu ̈ter M. Pseudopotentials that work: From H to Pu. Phys. Rev. B. – 1982. – V. 26. – P. 4199–4228.

35. Fritsch J., Pavone P. Ab initio calculation of the structure, electronic states, and the phonon dispersion of the Si(100) surface. Surf. Sci. – 1995. – V. 344 – P. 159–173.

36. Healy S.B., Filippi C., Kratzer P. et al. Role of electronic correlation in the Si(100) reconstruction: a quantum Monte Carlo study. Phys. Rev. Lett. – 2001. – V. 87. – P. 016105–01610.

37. Olson R.M., Gordon M.S. The structure of the Si9H12 cluster: A coupled cluster and multi-reference perturbation theory study. J. Chem. Phys. – 2006. – V. 124. – P. 081105–081111.

38. Jenkins S.J., Srivastava G.P. Theoretical evidence concerning mixed dimer growth on the Si(001)(2×1)–Ge surface. J. Phys.: Condens. Matter. – 1996. – V. 8. – P. 6641–6651.

39. People J.A., Gill P.M.W., Handy N.C. Spin-unrestricted character of Kohn-Sham orbitals for open-shell systems. Int. J. Quantum Chem. – 1995. – V. 4. – P. 303–305.

40. Wolkow R.A. Direct observation of an increase in buckled dimers on Si(001) at low temperature. Phys. Rev. Lett. – 1992. – V. 68. – P. 2636–2643.

41. Kondo Y., Amakusa T., Iwatsuki M., Tokumo H. Phase transition of the Si(001) surface below 100 K. Surf. Sci. – 2000. – V. 453. – P. L318–L322.

42. Lay G.Le, Cricenti A., Ottaviani C., et al. Evidence of asymmetric dimers down to 40 K at the clean Si(100) surface. Phys. Rev. B.– 2002. – V. 66. – P. 153317–153323.

43. Hata K., Yoshida S., Shigekawa H. p(2×2) Phase of buckled dimers of Si(100) observed on n-type substrates below 40 K by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. – 2002. – V. 89. – P. 2886104–2086112.

44. Mo Y-W, Savage D.E., Swartzentruber B.S., Lagally M.G. Kinetic pathway in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(001). Phys. Rev. Lett. – 1990. – V. 65. – P. 1020–1025

45. Sasaki M., Abukawa T.A., Yeom H.W. et al. Auger electron diffraction study of the initial stage of Ge heteroepitaxy on Si(001). Appl. Surf. Sci. – 1994. – V. 82/83. – P. 387–393.

46. Patthey L., Bullock E.L., Abukawa T. et al. Mixed Ge-Si dimer growth at the Ge/Si(001)-( 2×1) surface. Phys. Rev. Lett. – 1995. – V. 75. – P. 2538–2542.

47. Cho J-H., Jeong S., Kang M-H. Final-state pseudopotential theory for the Ge 3d-core-level shifts on the Ge/Si(100)-(2×1) surface. Phys. Rev. B. – 1994. – V. 50. – P. 17139–17146.

48. Ceperley D.M., Alder B.I. Ground state of the electron gas by a stochastic method. Phys. Rev. Lett. – 1980. – V. 45. –P. 566–572.

49. Dabrowski J., Pehlke E., Scheffler M. Calculation of the surface stress anisotropy for the buckled Si(001)(1x2) and p(2x2) surfaces. Phys. Rev. B. – 1994. – V. 49. – P. 4790–4793.

50. Fontes E., Patel J.R., Comin F. Direct measurement of the asymmetric dimer buckling of Ge on Si(001). Phys. Rev. Lett. – 1993. – V.  70. –P. 2790–2795.

51. Fontes E., Patel J. R., Comin F. Bond-length of Ge dimmers at Si(001) – Reply. Phys. Rev. Lett. – 1994. – V. 72. – P. 1131.

52. Oyanagi H., Sakamoto K., Shioda R. et al. Ge overlayers on Si(001) studied by surface-extended X-ray-absorption fine structure. Phys. Rev. B. – 1995. – V. 52. – P. 5824–5531.

53. Niwa R. H. Theoretical study of Si–Ge mixed dimers on Si(001) surfaces. Surf. Sci. – 1998. – V. 418. – P. 55–63.

54. Ramstad A., Brocks G., Kelly J. P. Theoretical study of the Si(100) surface reconstruction. Phys. Rev. B. – 1995. – V. 51. – P. 14504–14510.

55. Lin D. S., Miller T., Chiang T. C. Dimer charge asymmetry determined by photo-emission from epitaxial Ge on Si(100)-(2×1). Phys. Rev. Lett. – 1991. – V. 67. – P. 2187–2193.

56. Кондратьев В.Н. Структура атомов и молекул. Москва: Физ.-мат. лит., 1959. – 524 с.

57. Chen X., Patthey L., Bullock E. L. et al. Atomic geometry of mixed Ge-Si dimers in the initial-stage growth of Ge on Si(001)2×1. Phys. Rev. B. – 1997. – V. 55. – P. 7319–7325.

58. Oviedo J.A. First principles study of sub-monolayer Ge on Si(001). Surf. Sci. – 2002. – V. 515. – P. 483–490.

59. Keöhler U., Jusko O., Mëuller B. et al. Layer-by-layer growth of germanium on Si(100): strain-induced morphology and the influence of surfactants. Ultramicroscopy. – 1992. – V. 42–44. – P. 832–837.

60. Tersoff J. Stress-induced layer-by-layer growth of Ge on Si(100). Phys. Rev. B. – 1991. – V. 43. – P. 9377–9784.

61. Tersoff J. Missing dimers and strain relief in Ge films on Si(100). Phys. Rev. B. – 1992. – V. 45. – P. 8834–8840.

62. Chen X., Wu F., Zhang Z., Lagally M. G. Vacancy-vacancy interaction on Ge-covered Si(001). Phys. Rev. Lett. – 1994. – V. 73. – P. 850–855.

63. Liu F., Lagally M. G. Interplay of stress, structure, and stoichiometry in Ge-covered Si(001). Phys. Rev. Lett. – 1996. – V. 76. – P. 3156–3162.

64. Voigtlëander B., Këastner M. Evolution of the strain relaxation in a Ge layer on Si(001) by reconstruction and intermixing. Phys. Rev. B. – 1999. – V. 60. – P. 8834–5121.

65. Patthey L., Bullock E. L., Abukawa T. et al. Mixed Ge-Si dimer growth at the Ge/Si(001)-(2×1) Surface. Phys. Rev. Lett. – 1995. – V. 75. – P. 2538–2545.

66. Cho J. H., Kang M. H. Atomic structure of the Ge/Si(100)(2×1) surface. Phys. Rev. B. – 1994. – V. 59. – P. 13670–13675.

67. Iwawaki F., Tomitori M., Nishikawa O. STM study of Ge overlayers on Si(001). Surf. Sci. 1992. – V. 266. – P. 285–288.




Copyright (©) 2014 O. I. Tkachuk, M. I. Terebinska, V. V. Lobanov