We study alkali-metal (Na, Li) adsorption and surfactant mediated growth on Si(100) surfaces using an ab initio pseudopotential method. The atomic and electronic structure of Na adsorption on Si(100)-p(2×2) surfaces are investigated for various Na coverages (Θ) through first-principles total-energy calculations. At Θ = 1/4, we report for the first time that the 4 ×1 structure with linear Na chains adsorbed on the valley bridge sites is energetically most stable, while substrate Si dimers are rearranged by buckling towards the Na chains. At Θ = 1/2, the adsorption site of Na is the valley bridge site, however, the 2×2 structure is found to be more stable than the 2 ×1 structure. From the calculated formation energies, we suggest that the saturation coverage is one monolayer with the Na atoms occupying the pedestal and valley bridge sites, exhibiting a 2×1 reconstruction. The coverage dependences of surface geometry and work function are discussed.
For Li-adsorbed Si(1OO) surfaces, we find that Li adatoms interact mainly with the dangling bond orbitals of Si dimers, however, no hydrogen-like directional bonds exist between the Li and substrate Si atoms, based on calculated scanning tunneling microscopy images. The analysis of charge densities demonstrates a large charge transfer from the Li adatom to a dangling bond orbital of a Si dimer, which is responsible for a large decrease of work function at submonolayer coverages. The Li atoms form linear chains either by occupying the interdimer bridge sites along the dimer row direction or the dimer bridge and cave sites perpendicular to the dimer row. As Li coverage increases, repulsive interactions between the adatoms in the chains are also found to increase. Thus, at Θ = 1, the stable adsorptions sites are changed to either the cave and pedestal sites or the valley-bridge and pedestal sites, with all the Si dimers symmetric, resulting in a 2×1 structure. From the calculated formation energies, we find a 1×1 phase to be thermodynamically stable at Θ = 2, in contrast to other alkali-metal adsorptions.
We investigate the mechanism of the As-mediated epitaxial growths of Ge and Si on Si(100) surfaces. On the As monolyer covered Si(100) surface. individual Ge or Si adatoms are found to incorporate rapidly into subsurface As sites with minimum surface diffusion. The As segregation is initiated by the exchange of a single Ge or Si adatom with a sublayer As site, with an activation energy of about 0.1 eV which is much lower than the value of ~1.0 eV for a dimer exchange. Because of the rapid ada tom incorporation, adatom mobility is drastically reduced, compared with the growth without surfactants, resulting in a high density of two-dimensional islands. The inclusion of gradient corrections to the LDA energies does not alter our results.
제일원리 쑤도포텐셜방법을 사용하여 Si(100) 표면 위에 알칼리 금속 흡착과 표면활성제가 매개된 성장에 대해 연구하였다. 다양한 Na 표면흡착량에 따른 표면의 원자 및 전자구조를 연구하였다. 표면흡착량이 1/4 ML인 경우에 Na 원자들이 밸리브리쥐 위치에 흡착하여 형성된 4×1 구조가 가장 안정하였다. 이때, 기판의 Si 다이머들은 이온화된 Na 과 인력작용을 극대화하기 위해 다이머의 윗 원자가 Na 일차원 체인 쪽으로 위치함을 알 수 있었다. 1/2 ML 흡착 시에 안정된 흡착위치는 밸리브리쥐이고 이때는 2×2 구조를 보였다. 표면 형성 에너지를 계산하여 여러 가지 흡착량에 따른 표면구조의 상대적 안정성을 조사한 결과 Na 원자의 최대흡착량은 1 ML 이고 이때 Na은 피데스털과 밸리브리지에 흡착 되어 2×1 구조를 이루었다. 이밖에, 표면흡착량에 따른 면구조 및 일함수의 변화량을 계산하고 실험과 비교하였다.
Li/Si(100) 표면 구조에 대한 연구로부터 Li 원자들이 Si의 잘린 결합과 주로 반응하지만 수소원자와 같이 Si(100) 표면과 방향성 공유결합을 하지 않음을 알 수 있었다. 이는 종전의 STM 실험결과의 해석과 상반되며, 본 연구에서 Li 흡착구조의 STM 이미지 시뮬레이션으로부터 불일치의 원인을 제안하였다. Li 원자로부터 Si 기판으로 상당한 양의 전하 이동이 얼어나 일 함수의 급격한 감소의 원인이 되었다. 표면 형성 에너지 계산결과 다른 알칼리 금속과 달리 표면흡착량이 2 ML인 1×1 구조가 안정된 구조로 존재할 수 있음을 알 수 있었다. Li의 표면점유율에 따른 표면구조, 표면밴드구조, 일 함수 변화, 표면 코아 준위 변화를 계산하고 실험결과와 비교하였다.
Si(100) 기판 위에 Ge 및 Si 성장 시 표면활성제로 사용한 As의 역할을 연구하였다. As 한 층이 덮인 Si(1OO) 표면에 흡착된 Ge 혹은 Si 원자 들을 표면 위에서 최소한의 표면이동만을 거쳐 곧 바로 원자교환과정을 통해 표면 층의 As 원자 위치로 흡착된다는 것을 발견하였다. 이 원자교환과정에 필요한 활성화에너지는 0.1 eV 미만으로 표면 이동시의 에너지 장벽 (0.5 - 0.7 eV) 보다 매우 작고 원자교환과정의 총 에너지 이득은 Si 원자의 경우 1.1 eV, Ge 원자의 경우 0.7 eV 로 매우 컸다. 이러한 계산결과는 표면활성제의 사용으로 성장원자의 표면 이동도가 급격히 감소하여 삼차원 적층을 억제함을 보여준다. LDA 계산결과에 GGA 보정 을 한 경우에도 똑 같은 결론을 얻었다.
