Kinetics of $H_2(D_2)$ desorption from a Ge(100)-2x1:H (D) surface studied using scanning tunneling microscopy and temperature programmed desorption
The kinetics of $H_2(D_2)$ desorption from a Ge(100)-2x1:H (D) surface was studied using scanning tunneling microscopy (STM) and temperature programmed desorption (TPD). Inspection of STM images of surfaces at the saturation coverage of H(D) ($\Theta_{H(D)}~ 1.0 ML) revealed a 2x1 monohydride (monodeuteride) phase in which most H (D) atoms were paired on Ge-dimers. By counting the sites of $H_2(D_2)$ desorption in STM images taken after desorption of $H_2(D_2)$ at temperatures in the range $T_s$ = 500 - 550 K, the desorption of $H_2(D_2)$ was found to follow first order kinetics with an activation energy of $E_d$ = 1.65 ± 0.1 eV (1.65 ± 0.1 eV) and a pre-exponential factor of $V_d$ = (2.7 ± 0.5) x $10^{13}$ $s^{-1}$ ((1.2 ± 0.5) x $10^{13}$ $s^{-1}$). These values of $E_d$ and $V_d$ were used to simulate TPD spectra for the desorption of $H_2(D_2)$ from a Ge(100)-2x1:H (D) surface. The simulated spectra were in good agreement with the experimental TPD spectra. In contrast to the surfaces with saturated H coverage, which are characterized by pairs of H atoms on Ge-dimers, at the low H coverage of $\Theta_H$ ~ 0.05ML unpaired H atoms as well as paired H atomes were observed on the Ge-dimers on the surface, causing the desorption process to follow second order kinetics. At $T_s$ ~ 300 K, the singly occupied dimers (SODs) appear to be favored over doubly occupied dimers (DODs). However, upon increasing the temperature ($T_s$) from 300 to 500K, most SODs were rapidly converted into the thermodynamically favored DODs by the migration of H atoms. On the other handm it is observed that even above $T_s$ ~ 500K, the onset temperature for $H_2$ desorption from DODs, a non-negligible number of SODs remain on the surface due to the large entropic barrier to pairing. These results suggest that H adsorption in the low coverage is strongly influenced by the energetics of the prepairing of H atoms.
Atomic-scale study of etching process of Ge(100) by H(D)
we have studied the etching process of a Ge(100) surface exposed to H (D)(g) at $T_s$ = 400 K using scanning tunneling microcopy (STM and field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM). Investigation of STM images reveals that etching by H (D)(g) occurs significantly on the Ge(100) surface producing line defects along Ge dimer rows. We also found that deuterium (g) etches the Ge(100) surface eight times faster than H(g). After extensive exposures of H(g), the FE-SEM images showed that H(g) etching of the Ge(100) surface anisotropically proceeds exhibiting dominantly square etch pits with V-grooved shapes.
Formation of well ordered monolayer by double dative bonding: Pyrimidine on Ge(100)-2×1
The adsorption of pyrimidine on a Ge(100)-2×1 surface at room temperature was studied using scanning tunneling microscopy (STM), and ab initio density functional theory (DFT) calculation. We observed that the pyrimidine molecules adsorb on inter-row Ge dimer sites through Lewis acid-base reaction, inducing local buckling of the adjacent Ge dimers. DFT calculations indicate the plane of the adsorbed pyrimidine molecule retaining their aromaticity is tilted by about 40° with respect to the Ge surface. At 0.25 monolayer (ML), STM results show that the pyrimidine molecules appeared as the oval-shaped protrusions form the well ordered c(4×2) structure, where all pyrimidine molecules bridge between the down G-atoms of neighboring dimer rows by double dative bond. At 0.05 ML, bright zigzag lines with p(2×2) structure are observed, However, after time elapses, the p(2×2) structure is transferred to the stable c(4×2) structure due to steric hindrance.
Attachment of Purine layer on Ge(100)-2×1
The absorption of purine molecule on Ge(100)-2×1 surface has been investigated using scanning tunneling microscopy (STM) at room temperature. The STM images indicate that the adsorbed purine molecule binds on the down Ge atoms by Ge-N dative bonds without loss of aromaticity. With the exposure of purine increased up to 0.25 ML, the well-ordered structure of c(4×2) is formed at saturation coverage, The ordered c(4×2) structure is consisted of bright round-shaped protrusions. However, after 1 hour annealing at 400 K, the round-shaped protrusions are converted into the dumbbell-shaped protrusions. The STM images show a close packed Ge(100) surface ordered by the dumbbell-shaped protrusions.
주사 탐침 현미경과 열탈착 분석법에 의해 연구된 Ge(100)-2x1:H(D) 표면으로부터 $H_2(D_2)$ 열탈착 반응속도론
Ge(100)-2x1:H(D) 표면으로부터 H2(D2) 의 탈착이 주사 탐침 현미경과 열탈착 붙석법에 의하여 연구되었다. H(D)로 포화된 Ge(100) 표면은 쌍으로 이루어진 GeH (GeD) 상태로 존재한다, 이 포화된 표면으로부터 H(D)의 열 탈착은 1.65 ± 0.1 eV (1.65 ± 0.1 eV) 의 활성화에너지와 (2.7 ± 0.5) x $10^{13}$ $s^{-1}$ ((1.2 ± 0.5) x $10^{13}$ $s^{-1}$) 의 지수 앞자리 인자를 가지면 일차반응 속도론을 따른다. 그러나, 낮은 H(D) 덮임율을 가진 Ge(100) 표면은 개개의 H(D)가 표면위에 존재한다. 이 표면으로부터 H(D)의 열탈착은 이차반응 속도론을 따르는 것이 관찰된다. 그 이유는 Ge(100) 표면위에 존재하는 개개의 H(D)가 탈착에 앞서 쌍으로 이루어진 GeH(GeD) 상태를 이루려고 이동하기 때문이다. 그러므로 낮은 H(D) 덮임율을 가진 Ge(100) 표면에서의 열탈착 운동은 H(D)의 Pairing에 의존하는 것이 확인된다.
H(D) 에 의한 Ge(100) 표면의 원자 수준의 에칭
Ge(100) 표면의 H(D)에 의한 에칭이 400 K의 온도에서 주사 탐침 현미경과 주사 전자 현미경에 의해 관찰된다. Ge(100) 표면은 H(D)에 의해 다이머 방향으로 에칭되어 서녕 결점을 형성한다. 또한 D에 의한 에칭이 H에 의한 에칭보다 8배 우수한 결과를 보여준다. 그리고, 주사 전자 현미경에 의해 에칭 후의 표면을 관찰함으로써, V-형태의 웅덩이가 규칙적으로 형성됨을 확인하였다.
더불 배위 결합에 의한 잘 정렬된 단분자층의 형성: Ge(100)-2×1 표면위의 피리미딘
Ge(100) 표면위에 피리미딘 분자의 흡착이 주사 탐침 현미경과 전자 밀도 함수법에 의해 연구되었다. 이 피리미딘 분자들은 배위 결합을 통해서 Ge 다이머들 사이에 화학 결합하는 것이 관찰된다. 전자 밀도 계산은 이 피리미딘 분자들이 표면에 대해 40° 기울어져 있으며 더블로 배위되어 있을 때 가장 안정한 흡착 구조를 갖는 것을 보여주었다. 이 Ge(100) 표면이 피리미딘에 의해 포화 되어있을 경우 c(4×2) 구조를 형성한다. c(4×2) 구조는 밝은 구 형태로 묘사되는 피리미딘 분자들에 의해 이루어지고, 매우 잘 정렬된 표면을 형성한다.
Ge(100)-2×1 표면위에 퓨린 분자층의 흡착
Ge(100) 표면위에 퓨린 분자의 흡착이 주사 탐침 현미경에 의해 연구되었다. 퓨린 분자는 배위 결합에 의해 Ge 표면위에 화학결합한다. 포화 흡착량에서는 이 퓨린 분자들은 두 개의 Ge 다이머당 하나씩 배열됨으로써 c(4×2) 구조를 형성한다. 그 배열은 매우 규칙적이어서 잘 정렬된 표면을 형성한다.
