The reconstruction of the Ge (001) surface and the adsorption geometry of acetylene on the Ge (001) surface have been explored through Hartree Fock (HF) and density functional theory (DFT) methods. Several cluster models have been tested to build an accurate representation of p(2×2) and c(4×2) Ge (001) surface and different binding arrangements of an acetylene molecule on the surface that are believed to be energetically most stable. The formation of dimers on the surface is characterized by the dimer bond length of 2.47~2.51Å, considerably shorter than the distance of unbonded Ge-Ge (4.0Å) in bulk. In comparison, the bond length of Ge-Ge is 2.44Å in bulk. The calculated bond lengths of Ge dimer depend on the size of cluster and the level of subsurface layers allowed to relax, but only weakly depend upon DFT functionals. The dimer formation strongly affects the position of atoms down to the fourth-layer, while the most fifth- or deeper-layer atoms are modified only slightly. The c(4×2) reconstruction on the Ge (001) surface is calculated to be energetically most stable in agreement with experiment. From HOMO and HOMO-1 of small clusters, one can qualitatively construct the isopotent map which can be correlated to scanning tunneling microscopy (STM) images of the p(2×2), c(4×2) Ge (001) surface, and the $C_2H_2$ adsorptions on the Ge (001) surface. The comparison of the atomic resolution STM images with the simulation and calculated energy values reveals that there are di-σ (on-top) and tetra-σ (p-bridge) bonding configurations for adsorbed acetylenes. Most acetylene molecules are di-σ bonded to the first-layer Ge dimers with the adsorption energy of 53.34 kcal/mol in DFT calculation. It is elucidated that the CC bond is essentially double bond and the Ge dimer bonds are not cleaved.
최근까지도 주목 받고, 연구 되어지고 있는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 원소는 나노 물질의 발견과 연구가 가속화 되면서, 이 원소들이 지니고 있는 반도체라는 특성과 응용가치가 더욱 높이 평가 받게 되었다. 특히, 실리콘(Si) 이나 게르마늄(Ge) 표면 위에 흡착된 유기물질의 연구는 차세대 반도체 개발 및 나노 관련 연구에 있어 더없이 중요한 기초 연구 분야로 인식되고 있다. 여기서는 게르마늄(Ge) 표면 위에 간단한 유기 분자의 흡착 구조를 연구하였다. 게르마늄(Ge)은 실리콘(Si)에 비해 이론적 연구가 적고 실험결과가 실리콘(Si)과 상이한 점을 보이기 때문에 관련분야에서 중요한 연구자료가 될 것이다.
양자화학적 계산방법 중에서 Hartree Fock (HF) 과 density functional theory (DFT) 방식을 이용하여 게르마늄(Ge) (001) 표면을 모사하였다. 적절한 클러스터 모델을 제시하였고, 구조 최적화를 통해서 p(2×2) 와 c(4×2) 가 가장 안정한 표면 구조임을 확인 하였다. 클러스터의 HOMO와 HOMO-1 이미지를 조합하여 실제 scanning tunneling microscopy (STM) 이미지와 흡사한 구조를 확인 할 수가 있었다. 표면이하 4층 까지의 이완작용이(layer relaxation)이 dimer 형성에 중요하게 기여하고 있음을 확인 하였다. 이러한 결과를 토대로 간단한 아세틸렌 분자의 게르마늄(Ge) (001) 표면 위에서의 흡착 구조를 연구하였다. 다양한 형태의 흡착구조를 제안하였고, on-top-1과 p-bridge 그리고 r-bridge 등의 가능성 있는 안정된 흡착구조를 확인할 수 있었다. 특히, STM 이미지를 흡착 구조 모델의 HOMO 와 HOMO-1의 조합 이미지와 비교하여 본 결과, on-top-1 (di-σ) 과 p-bridge (tetra-σ) 의 존재를 뒷받침할 수 있었다.
