0 ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù m ü; c + s ÇT T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

(1)

<

0 ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù m ü; c + s ÇT T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

»r ) ò 6 B · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · " k< ' å

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ x 9 F g & ñ Ðl Õ ü t ½ ¨ è, Å Ò 561-756 (2011¸ 10 Z 4 17{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 12 Z 4 1{ 9 > F S X & ñ )

Å

Ò ' V , a A & ³p â õ Å Ò ' V , a A ì rF gZ O ` ¦ s 6 x # í ¦ / B N \ " f Si(5 5 12)-2 × 1 l ó ø Í 0 A

\

CaF

2

\ ¦ 7 £ x Ã Ì # l ó ø Íõ s ´ ú H { 9 " é ¶ ¸ _ + þ A$ í ~ ½ ÓZ O ` ¦ ½ ¨ % i . : r ½ ¨\ ¦ : x # 500

^◦

C _ l ó ø Í 0 A\ " f CaF

2

H K o ÷ &# Q CaF (113) J d ± õ CaF (111) J d ± Ü ¼ Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶

¸ ` ¦ + þ A$ í H z ´` ¦ µ 1 Ï| % i . s ¸ _ x 9 ¸ H CaF

2

7 £ x Ã Ì| ¾ ÓÜ ¼ Ð ¸] X ½ + É Ã º e Ü ¼ 9, ¢ ¸ô Ç 7

£

x Ã Ì ¸× æ Si(5 5 12)-2 × 1 _ " é ¶ A Å Òl Ä »t ÷ & H כ ` ¦ S X % i . Õ ªo # CaF/Si(5 5 12) >

ì ø Í ¸^ \ g A\ 6 £ x6 x| ¨ c 0 p x$ í ` ¦ S X % i .

Ù þ

d # Q: Si(5 5 12), CaF

2

, CaF, ¸ , STM

Growth of Commensurate CaF Nanowires on a Reconstructed Si(5 5 12)-2 × 1 Template

Hidong Kim · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · Jae M. Seo ^∗

Department of Physics and Institute of Photonics and Information Technology, Chonbuk National University, Jeonju 561-756

(Received 17 October 2011 : accepted 1 December 2011)

The commensurate nanowire grown by thermal deposition of CaF

2

on Si(5 5 12)-2 × 1 at 500

^◦

C has been studied by using scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunnel- ing spectroscopy (STS). The CaF

2

molecules deposited on this substrate are dissociated to form one-dimensional (1D) nanowires composed of CaF (113) and CaF (111) facets. With increasing deposited amount of CaF

2

, the density of the nanowires increases, but the original period of Si(5 5 12)-2 × 1 is maintained. The CaF/Si(5 5 12) system is expected to have applications to the etching of semiconductors.

PACS numbers: 68.55.J-, 68.35.bg, 73.20.-r, 68.37.Ef Keywords: Si(5 5 12), CaF

2

, CaF, Nanowire, STM

I. " e Â ] Ø

&

³F o ÐÕ ªA x ü < \ g A` ¦ : x ô Ç ‘d v î r’ ~ ½ Ód ` ¦ : x K + þ

A$ í ½ + É Ã º e H ; ¤ É r 25 nm & ñ ¸ Ð" f _ | 9 & h ¸_ ô

Ç> \ ¸² ú % i . Õ ª\ , Ã º nm\ " f Ã ºz nm_ ß ¼

∗

E-mail: [email protected]

l

_ ½ © ¸ Ð " é ¶ x 9 ì r Si l ó ø Í 0 A\ " f µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð

¸w n ÷ & H ‘ Ð) 3 \ O ’ ~ ½ Ód _ l Õ ü t` ¦ ½ ¨ > ÷ &% 3 . s

Qô Ç ¸ s ¸& h õ ° ú É r ¸p ' ß ¼l _ ¸

½

¨ ¸ H < Æë H& h Ü ¼ Ð H ª & ³ © s H ½ ¨ ¸Ó ü t Ð" f, l

Õ ü t& h Ü ¼ Ð H ¸½ ¨ ¸\ ¦ s 6 x ô Ç è Y Us $ à Ô ½ t

Û ¼' , ¦x 9 ¸ B j ¸o , o < Æy t 6 x G ' p" f 1 p x \ 6 £ x6 x| ¨ c 0

p x$ í s ´ ú § [1–4]. s Qô Ç 3 l q& h ` ¦ ² ú $ í l 0 Aô Ç 0 p x ô Ç

-1126-

(2)

~

½ ÓZ O × æ _ Ð" f ¸p ' ½ © ¸ Ð ¸ ú & ñ _ ) a + þ Aó ø Í 0 A

\

¸ ½ ¨ ¸\ ¦ µ 1 Ï& h ¸w n ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð + þ A$ í H l Õ ü t s e

.

Si l Õ ü t s B Ä º & ñ § l H t ë ß , ª í ß \ j þ t Ã º e

H Si 0 A\ 8 £ x Ü ¼ Ð $ í © r ~ ´ Ã º e H ª | 9 _ ] X Ó ü t| 9 s

\ O . t F K t SiO

²

@ /Â Òì r _ è \ " f ] X 8 £ x Ü

¼ Ð æ ¼s t ë ß f ] X & h Ü ¼ Ð \ x × þ r ¾ ¡ §| 9 ` ¦ t H #

Q8 £ x s | 9 > \ ¦ ë ß [ þ t Ã º \ O . ì ø Í \ CaF

2

( © Ã º:

0.5462 nm) õ Si( © Ã º: 0.5431 nm) H ° ú É r d { 9

~

½ Ó \ ¦ s À Ò ¦ © : r \ " f # QF M z s 0.6 % Ð

[5]. > CaF

2

_ { ç ß s 12 eV Ð ß ¼l M :ë H

\

Si 0 A\ s ´ ú > $ í © r ~ ´ Ã º e H ] X 8 £ x _ Ê ê

Ð ) a . s כ É r / B N" î ' V , a A s ¸× ¼ü < ° ú É r ¸

è _ l : r ½ ¨ ¸ | ¨ c Ã º e [6]. Õ ª X < ª | 9 _ \ x

× þ r $ í © ` ¦ 0 AK " f H > s + þ A$ í ÷ & H õ & ñ ÷ r ë ß m

, > _ o < Æ& h , ½ ¨ ¸& h $ í | 9 _ s K : £ ¤ y × æ כ ¹

. F-Ca-Si > 8 £ x _ > r F H Õ ª 0 A\ CaF

²

9 2 £ § $ í

© \ & ñ & h % i ½ + É` ¦ # $ í © B j& m 7 £ §` ¦ 4 ¤ ¸ ú > ô Ç

. 600 Ò s © _ $ í © ¸| \ " f, CaF

2

H > \ " f CaF

Ð K o # Si(111) ³ ð 0 A\ " f 1 × 1 Å Òl \ ¦ t H

ª | 9 _ CaF K _ Ð\ x × þ r 8 £ x` ¦ + þ A$ í ô Ç [7–9]. y © ô Ç Ca-Si ½ + Ë M :ë H \ , CaF 8 £ x _ ³ ð Ä » \ -t H L : F M ô

Ç Si(111)s CaF

2

³ ð Ð ± ú [10]. { 9 é ß , Si ³ ð s

CaF Ð W = s , CaF

2

9 2 £ § s 8 £ x8 £ x y $ í © ô Ç [6]. Õ ª

X < CaF

2

> \ " f Siõ [ O s t · ú §l M :ë H \ , (111) p

(vicinal surface) É r µ 1 Ï& h ¸w n \ _ ô Ç ª è _

+ þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð s 6 x # í ÐY Ut Û ¼à Ô @ / CaF

₂

ü < CaF _

Ó ü t o x 9 o < Æ& h $ í | 9 _ s \ ¦ s 6 x # CaF

²

\ ¦ Û

¼ß ¼ Ð j þ t Ã º e [4,11]. ô Ç¼ # , Si(001)s Si(110) ³ ð

\ " f H ¸p ' ß ¼l _ -q \ ¦ t ¦ \ -t

© ± ú É r (111) Ü ¼ Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶ [ þ t s ê ø Í [9, 12]. s Qô Ç Si(001), Si(110), Si(111) p ` ¦ + þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð s

6 x ½ + É M :_ ë H ] j& h É r Õ ª[ þ t _ Å Òl B Ä º a % v " f " f Ð ì

r o ) a G Ð | 9 " f e > C \ P ) a ¸ ` ¦ % 3 l ~ 1 t · ú §

H X <\ e .

F

½ ¨ ¸ ) a ¦x 9 Qt Ã º Si ³ ð × æ (5 5 12)-2 × 1 É r (001) \ " f (111) A á ¤ Ü ¼ Ð 30.5

^◦

l Ö ¦ # Qt ¦ [10],

~ ½

Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð { 9 " é ¶ @ /g A$ í ` ¦ t H Ü ¼ Ð F ½ ¨ ¸÷ & ¦, Õ

ª ³ ð é ß 0 A [ j í_ ß ¼l 5.35 nm × 0.77 nm Ð" f Õ ª

-q Ø æì r y V , # Q" f × þ & h f ¨ Ã Ì\ _ K ¸ ` ¦ $ í

© ½ + É â Ä º Õ ª [ þ t s · ¡ # Q! Qw n = % i 9 & h ¦, ¨ î ¨ î ô Ç é ß { 9

½

¨% i (single domain)Ü ¼ Ð F ½ ¨ ¸÷ &l M :ë H \ · ú ¡_ â Ä º

Ð @ / & h _ + þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð" f 6 £ x6 x 0 p x$ í s B Ä º Z } [13, 14]. s ½ ¨\ " f H Si l ó ø Í 0 A_ CaF

2

9 2 £ § $ í © \ @ / ô

Ç t d ` ¦ ½ ÓÜ ¼ Ð Si(5 5 12)-2 × 1 ³ ð 0 A\ " f

ê ø Í CaF ¸ _ ½ ¨ ¸ü < Õ ª 6 £ x6 x$ í ` ¦ Å Ò ' V , a A & ³ p

â (scanning tunneling microscopy: STM)õ Å Ò ' V , a A ì rF gZ O (scanning tunneling spectroscopy: STS)` ¦ s 6

x K " f ½ ¨ % i .

II. ÷ m Ç ] M ö

Ð 8 mm, [ j Ð 3 mm, ¿ ºa 0.25 mm ß ¼l _

"

é

¶ (P)Ü ¼ Ð ¸i ç ô Ç n+ þ A Si(5 5 12) l ó ø Í` ¦ Ä »l 6 x ] j

Ð L : F M s [ j' ô Ç 6 £ § \ , r « Ñ f . Ë 8\ © Ã Ì # í ¦ /

B N(ultrahigh vacuum: UHV) 6 x l Ð ` | 6 £ §, l ó ø Í\

À Ó\ ¦ f Ë 9 l ó ø Í : r ¸\ ¦ 650

^◦

C Ð Ä »t ô Ç G , À Ò 1 l x î

ß \ P % i . s l ó ø Í` ¦ 1150

^◦

C t \ P # í ß o }

` ¦ ] j ¦, 900

^◦

C Â Ò' ì r { © 10

^◦

Cm z ´ : r t ;

;y d ) F ½ ¨ ¸ ) a L : F M ô Ç Si(5 5 12)-2 × 1 ³ ð ` ¦ % 3

%

3 . s l ó ø Í` ¦ 500

^◦

C Ð Ä »t ô Ç G , À Ó\ ¦ : x K \ P ô

Ç Ta Ðà Ô ÐÂ Ò' CaF

2

\ ¦ 0.01 nm/ì r _ 5 Å q ¸ Ð 7 £ x Ã Ì

%

i . ¸ H : r ¸ H F g < Æ s Ðp ' Ð 8 £ ¤& ñ % i . STM

% ò

© [ þ t É r ' V , a A À Ó\ ¦ 0.5 nA Ð Ä »t ô Ç { 9 & ñ À Ó ~ ½ Ó d

Ü ¼ Ð l : r · ú § 4 9.8 × 10

⁻¹¹

Torr _ z ´ : r _ UHVz ´\

"

f % 3 ¦, STM % ò © á Ô ÐÕ ªÏ þ WSxM` ¦ s 6 x # % o

% i [15]. STS H ° ú É r UHVz ´\ " f r « Ñü < Ã Ðg Ë >_ o

\ ¦ { 9 & ñ > ô Ç G % 3 % 3 .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

500

^◦

C _ Si(5 5 12)-2 × 1 l ó ø Í 0 A\ CaF

²

\ ¦ 0.01 nm 7

£

x Ã ÌÙ þ ¡` ¦ M : % 3 É r STM % ò © s Fig. 1(a)s . D h Ð ê ø Í { 9

" é ¶ ¸ ` ¦ ] jü @ ¦ H L : F M ô Ç Si(5 5 12)-2 × 1_

½

¨ ¸ü < ° ú . 0 A Â Òì r ¸ É rA á ¤ \ × ¼ Qè ß L : F M ô Ç Si(5 5 12)- 2 × 1 ³ ð _ ô Ç Å Òl _ é ß 0 A [ j í H Z O | 9 (honeycomb:

H) _ þ t(chain) õ s ½ + Ë^ -f ¨ Ã Ì" é ¶ (dimer-adatom: D- A) × ¦(row) õ ½ + Ë^ (tetramer: T) × ¦ Ð s À Ò# Q (225)

èé ß 0 A(subunit), π- ½ + Ë(π-bonded chain: π) _ þ t õ T

×

¦ Ð s À Ò# Q T(337) èé ß 0 A, H _ þ t õ D-A × ¦ Ð s À

Ò# Q D(337) èé ß 0 A(subunit)_ [ j Â Òì r Ü ¼ Ð ÷ ¶ [14]. (225) ü < D(337)_ D-A × ¦ 0 A\ H Si f ¨ Ã Ìs ½ + Ë

^

(addimer) · ¡ ` ¦ Ã º e H X <, Õ ª × æ \ ¦ Fig. 1(a) \

"

f ¸ Ï o¶ ú Ð Ð .

CaF

₂

\ ¦ 7 £ x Ã Ìô Ç Ê ê\ _ Û ¼ 0 A\ " f[110] ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð { 9

" é ¶ ¸ s | Ã Û H X <, Á º% Á Ü ¼ Ð s À Ò# Q4 R e H t · ú l

0 A # Si(5 5 12) l ó ø Í_ ô Ç / B M( À 1 Ïç ß & h )õ s ¸

_ ¿ º / B M( í2 ¤ & h õ ê ø Í & h )_ Å Ò ' V , a A Û ¼& 7 à Ô

(3)

Fig. 1. (Color online) CaF nanowire grown on Si(5 5 12)-2 × 1. (a) Filled-state STM image obtained from 0.01-nm CaF

₂

deposited Si(5 5 12)-2 × 1 at 500

^◦

C. Numbers I and II in (a) denote the forming order of a 1D CaF nanowire from the substrate ‘0’. H: honeycomb chain, D-A: dimer-adatom row, T: tetramer row, and π: π-bonded chain. An addimer is indicated by a white arrow. A blue (red) parallelogram denotes a unit cell of the 3 × 1 (2 × 1) structure of the (113) facet. (b) Scanning tunneling spectra of the points designated by red, green, and blue dots in (a). For avoidance of overlap, offsets are given. (c) Line profile along the black arrow in (a). A blue bar, a green bar, and a red bar denote a (112) unit, a (113) unit, and a (111) unit, respectively. (d) Schematic diagram showing 1D CaF nanowire growth steps, I and II. Numbers `-e denote the order of CaF deposition.

! 3

(STS)` ¦ Fig. 1(b) ü < ° ú s % 3 % 3 . À Ó r ÷ & H

&

h

` ¦ l ï r Ü ¼ Ð Si l ó ø Í É r À 1 Ïç ß Õ ªA á Ô\ " f Ð r x

-0.55 Vü < +0.35 V s \ " f À Ó â ìØ Ôt · ú § 0.90 eV _ { ç ß (band gap)` ¦ . s \ q # ¸ _

í2 ¤ & h \ " f % 3 É r í2 ¤Ò oÜ ¼ Ð ³ ðr ô Ç STS H -0.55 V ü < +0.70 V s \ " f À Ó â ìØ Ôt · ú § ¦, ê ø Í & h \ " f

% 3

É r ê ø ÍÒ oÜ ¼ Ð ³ ðr ô Ç STS H -0.75 V ü < +0.60 V s

\

" f À Ó â ìØ Ôt · ú § 1.25 - 1.35 eV_ { ç ß ` ¦

. s ¸ s ë ß { ç ß 12 eV Ð Å Ò H CaF

2

8 £ x Ü

¼ Ð ÷ &# Q e , STS\ " f s Ð s ` H { ç ß ` ¦ % 3

% 3

` ¦ כ s . Si(111) ³ ð \ " f ê ø Í CaF > \ @ /ô Ç · ú ¡

½ ¨\ " f, > _ Ca " é ¶ H Ca

⁺

(4s) © I Ð ` Ø Ôp

\

-t 0 A 1.2 - 1.3 eV\ " f Si (3p) p ½ + Ë ½ + Ë(dangling

bond) C ¸ü < q # Q e H ì ø Í ½ + Ë © I \ ¦ Ðs ¦ Õ ª { ç ß

É r 2.4 eV כ Ü ¼ Ð Ð ¦÷ &% 3 [7, 16]. s Qô Ç z ´

É r Si(5 5 12) l ó ø Í 0 A\ ê ø Í ¸ s CaFe ` ¦ ´ ú K ï

r . STS Ð 8 £ ¤& ñ ô Ç { ç ß s 2.4 eV Ð É r כ É r s CaF > 8 £ x s B Ä º · û ª a % v É r { ç ß _ Si l ó ø Í_

CaF } ` ¦ : x K ' V , a A÷ &l M :ë H s . 7 £ x Ã Ìô Ç CaF

₂

ì

r 500

^◦

C \ " f ³ ð Si " é ¶ [ þ t õ o < Æ& h Ü ¼ Ð ì ø Í6 £ x

#

CaF Ð K o ÷ & ¦ # ì r _ F " é ¶ [ þ t É r F

2

ì r Ð ³ ð

\

" f » 1 Ï Ã Ìô Ç : 2CaF

2

+ Si

_(s)

→ 2(CaF)-Si

_(s)

+ F

₂

↑ [7, 10]. ³ ð _ Si " é ¶ s K o ì ø Í6 £ x \ " f _ B > h^

÷ &# Q 8 ú ¤ B Ð 6 x H כ Ü ¼ Ð Ð [16].

{ 9

" é ¶ ¸ _ ½ ¨ ¸\ ¦ 8 © [ jy · ú l 0 AK " f, Fig.

1(a) _ É r o¶ ú ` ¦ Ø Ô H á Ô Ð { 9 ` ¦ Fig. 1(c) \

(4)

Fig. 2. (Color online) (a) STM image obtained from Si(5 5 12)-2 × 1 at 500

^◦

C deposited by a CaF

2

amount of 0.1 nm. (b) Line profile along a black arrow in (a).

Ð . á Ô Ð { 9 _ ¿ º J d ± É r [001] ~ ½ Ó ¾ Ó A á ¤ Ü ¼ Ð (5 5 12) \ @ / # y y -6.6

^◦

ü < +16.1

^◦

l Ö ¦ # Q4 R e

. s á Ô Ð { 9 ` ¦ { ½ ¨ ¸ (225) + T(337) + D(337) õ q §K Ð , (5 5 12) ô Ç é ß 0 A H ê ø Í } @ / Ð

³

ðr ô Ç (112) ô Ç é ß 0 A, í2 ¤ } @ / Ð ³ ðr ô Ç (113) # $ Á é ß 0

A, À 1 Ïç ß } @ / Ð ³ ðr ô Ç (111) ¿ º é ß 0 A Ð ÷ &# Q e 6 £ §` ¦ · ú Ã

º e [(5 5 12) = 1·(112) + 6·(113) + 2·(111)]. # l " f 1·(112) + 2·(113) H " é ¶ A _ (225) èé ß 0 A\ ¦ s ê r .

"

f í H Ã º > D h Ð ê ø Í ¸ É r W 1 é ß 0 A_ (113)õ ¿ º é

ß 0 A_ (111) J d ± s . Fig. 1(a)\ " f (113) J d ± É r ê ø Í é ß

0 A [ j íü < À 1 Ïç ß é ß 0 A [ j í Ð ? /1 p w s 3 × 1õ 2 × 1 ½ ¨ ¸ü < [ O # e . Õ ªo ¦ (111) J d ± É r Si(111) 0 A\ + þ

A$ í ) a CaF > 8 £ x % ! 3 1 × 1 ½ ¨ ¸\ ¦ ¦ e [7–9].

{ 9

A Â Òì r õ ¢ , aA á ¤ 0 A Â Òì r _ ¿ º é ß > Ð Ð ü t Ã º e H X

<, Õ ª כ ` ¦ y y Iõ II Ð ³ ðr % i . I é ß > \ " f CaF

T(337)_ π _ þ t õ T × ¦ s ü < T(337)_ T × ¦ õ D(337) _ H _ þ t s \ 1 l x r \ 7 £ x Ã Ì H X <, s כ [ þ t É r y

, T(337) É r (113) ¿ º é ß 0 Aü < (111) ô Ç é ß 0 A Ð + þ A ) a [(337) = 2·(113) + 1·(111)]. s M : Fig. 1(a)\ " f Ð r x

µ 1 ß É r & h [ þ t s 2× Å Òl Ð è ß . CaF II é ß > \

"

f, s (113) J d ± õ (111) J d ± Ü ¼ Ð s À Ò# Q ¸ É r (225) _ H _ þ t t S X © ô Ç . ¸d ¸ Fig. 1(d)\ " f CaF D(337) 0 A\ I é ß > % ! 3 bõ c í H Ü ¼ Ð f ¨ Ã Ì ¦

6 £ § \ Õ ª Y J l \ ¦ B jÄ ºl 0 A # CaF dü < e o

\

Æ Ò Ð 7 £ x Ã Ì # W 1 > h_ (113) é ß 0 Aü < ¿ º > h_ (111) é

ß 0 A Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶ CaF ¸ s Si(5 5 12)-2 × 1 l

É

r L : F M ô Ç Si(111)s CaF

²

³ ð Ð ³ ð \ -t ± ú

[10]. Õ ª QÙ ¼ Ð CaF 8 £ x É r CaF(111) J d ± s + þ A$ í | ¨ c M :

t ê ø Í כ s .

7 £

x Ã Ì| ¾ Ó` ¦ Z þ t 9" f 500

^◦

C _ Si(5 5 12)-2 × 1 l ó ø Í 0 A

\

CaF

²

2(a) \ Ð . s Õ ªa Ë >_ É r o¶ ú ³ ð\ ¦ Ø Ô H á Ô

Ð { 9 s Fig. 2(b)s . Fig. 1õ Fig. 2\ " f { 9 " é ¶

¸ _ x 9 ¸ CaF

2

_ 7 £ x Ã Ì| ¾ Ó\ q Y V # Z þ t # Qz ` ¦ · ú Ã

º e . s Õ ªa Ë >\ " f l : r& h Ü ¼ Ð { 9 " é ¶ ¸ _ ¸ ª

É r Fig. 1(a) ü < ° ú Ü ¼ , { 9 Â Ò % ò % i \ " f { 9 " é ¶ ¸ _

¸ ª s É r כ ` ¦ · ú Ã º e H X < s כ É r Si(7 7 17) % ò % i s ç

H X <ç H X < Si(5 5 12) _ Û ¼\ z # Q[ þ t l M :ë H s . Si(7 7 17) É r D(337) s Si(5 5 12)Ü ¼ Ð ^ ¦ Ã º e [17]. Õ ª A

" f { 9 " é ¶ CaF ¸ s ô Ç (7 7 17) é ß 0 A 0 A\ " f

³

1 Ï M :\ H Õ ª -q ü < Z } s Fig. 1(a)_ I é ß > \ " f " 3 Æ Ò t

ß 0 A\ " f II é ß > % ! 3 CaF 8 £ x s " f Fig. 2(b)_

á Ô Ð { 9 \ " f% ! 3 (5 5 12) 0 A\ " f ê ø Í ¸ õ ° ú

É

r Z } s t s Ø Ô> ) a . : r ½ ¨\ ¦ : x # CaF

²

_ 7 £ x

Ã

Ì| ¾ Ós 0.1 nm{ 9 M :, ³ ð É r ¸¿ º { 9 " é ¶ ¸ Ü ¼ Ð W = s

¦, (7 7 17) % ò % i ` ¦ N S ¦ H Z } s 0.4 nm Ð Si(5 5 12)-2

× 1 _ Å Òl 5.35 nm` ¦ Ä »t H כ ` ¦ S X % i . s M

:, (225)_ D-A × ¦ õ T × ¦ É r < Ê\ O s Si G Ð f ¨ Ã Ì s

½ + Ë^ e H כ \ " f ¸ · ú Ã º e 1 p w s , Õ ª ½ ¨ ¸ Ä »t

)

a .

(5)

IV. + s Ç Â ] Ø

500

^◦

C _ Si(5 5 12)-2 × 1 0 A\ CaF

2

\ ¦ 7 £ x Ã Ìr v

>

\ (113)õ (111) J d ± Ü ¼ Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶ CaF

¸ s [110] ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð ê ø Í . 7 £ x Ã Ì| ¾ Ós 0.1 nm{ 9 M : (225) _ D-A × ¦ õ T × ¦ ë ß Si G Ð ¶ ú z É r G Ð ³ ð

É

r s { 9 " é ¶ ¸ Ü ¼ Ð ¢ - a y W = s H X <, s ¸ É r Si(5 5 12) _ ³ ð \ e H Si f ¨ Ã Ìs ½ + Ë^ \ ~ ½ ÓK ~ Ã Ît · ú §

¦, " é ¶ A Å Òl 5.35 nm_ Å Òl \ ¦ . " f, Si(5 5 12) É r ì r o ÷ & ¦ & ñ § > = ) a ¸ _ ¢ - a# 4 ô Ç + þ Aó ø Í % i ½ + É` ¦

< Ê` ¦ · ú Ã º e . s X O > Si(5 5 12)-2 × 1 0 A\ ê ø Í CaF

¸ É r CaF 8 £ x õ Si G Ð z e H (225) _ D-Aü <

T × ¦ _ Ó ü t o & h o < Æ& h $ í | 9 ` ¦ s 6 x ô Ç o ÐÕ ªA x \ Ö ¸ 6

x ½ + É Ã º e .

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2008¸ ¸ & ñ Â Ò_ F " é ¶ Ü ¼ Ð ô Ç² D G ½ ¨F é ß _

t " é ¶` ¦ ~ Ã Î Ã º' ) a ½ ¨e (No. KRF-2008-359- C00016).

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] V. A. Egorov, G. ´ E. Cirlin, A. A. Tonkikh, V. G.

Talalaev, A. G. Makarov, N. N. Ledentsov, V. M.

Ustinov, N. D. Zakharov and P. Werner, Phys. Solid State 46, 49 (2004); N. D. Zakharov, V. G. Talalaev, P. Werner, A. A. Tonkikh and G. ´ E. Cirlin, Appl.

Phys. Lett. 83, 3084 (2003).

[2] J. H. Seok and J. Y. Kim, Appl. Phys. Lett. 78, 3124 (2001).

[3] C. B. Li, B. W. Cheng, R. W. Mao, Y. H. Zuo, W.

H. Shi, C. J. Huang, L. P. Luo, J. Z. Yu and Q. M.

Wang, Thin Solid Films 467, 197 (2004).

[4] F. J. Himpsel, A. Kirakosian, J. N. Crain, J.-L. Lin and D. Y. Petrovykh, Solid State Commun. 117, 149 (2001).

[5] K. Kametani, K. Sudon and H. Iwasaki, Jpn. J.

Appl. Phys. 41, 250 (2002).

[6] C. R. Wang, M. Bierkandt, S. Paprotta, T. Wietler and K. R. Hofmann, Appl. Phys. Lett. 86, 033111 (2005).

[7] P. Avouris and R. Wolkow, Appl. Phys. Lett. 55, 1074 (1989).

[8] T. Sumiya, Appl. Surf. Sci. 156, 85 (2000).

[9] L. Pasquali, S. M. Suturin, V. P. Ulin, N. S. Sokolov, G. Selvaggi, A. Giglia, N. Mahne, M. Pedio and S. Nannarone, Phys. Rev. B 72, 045448 (2005); L.

Pasquali, S. Suturin, N. Sokolov, G. Selvaggi, S.

D’Addato and S. Nannarone, Nucl. Instrum. Meth- ods Phys. Res. B 193, 474 (2002); L. Pasquali, S.

D’Addato, G. Selvaggi, S. Nannarone, N. S. Sokolov, S. M. Suturin and H. Zogg, Nanotechnology 12, 403 (2001).

[10] B. H. M¨ uller, C. R. Wang, K. R. Hofmann, M.

Bierkandt, C. Deiter and J. Wollschl¨ ager, Surf. Sci.

532-535, 633 (2003).

[11] F. J. Himpsel, F. U. Hillebrecht, G. Hughes, J. L.

Jordan, U. O. Karlsson, F. R. McFeely, J. F. Morar and D. Rieger, Appl. Phys. Lett. 48, 596 (1986); F.

J. Himpsel, U. O. Karlsson, J. F. Morar, D. Rieger and J. A. Yarmoff, Phys. Rev. Lett. 56, 1497 (1986).

[12] T. Sumiya, T. Miura, H. Fujinuma and S. Tanaka, Surf. Sci. 376, 192 (1997).

[13] A. A. Baski, S. C. Erwin and L. J. Whitman, Surf.

Sci. 392, 69 (1997); A. A. Baski, S. C. Erwin and L.

J. Whitman, Science 269, 1556 (1995).

[14] H. Kim, H. Li, Y.-Z. Zhu, J. R. Hahn and J. M. Seo, Surf. Sci. 601, 1831 (2007).

[15] I. Horcas, R. Fern´ andez, J. M. G´ omez-Rodr´ıguez, J.

Colchero, J. G´ omez-Herrero and A. M. Baro, Rev.

Sci. Instrum. 78, 013705 (2007).

[16] M. A. Olmstead, R. I. G. Uhrberg, R. D. Bringans and R. Z. Bachrach, Phys. Rev. B 35, 7526 (1987).

[17] H. Kim, H. Li and J. M. Seo, Surf. Sci. 602, 2563

(2008).

0  ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù  m ü; c + s ÇT T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

<

0  ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù  m  ü; c + s ÇT  T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

 »r ) ò 6 B · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · " k< ' å 



 · ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ  x 9 F g   & ñ  Ðl Õ ü t  ½ ¨ è,   Å Ò 561-756 (2011¸  10 Z 4 17{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  12 Z 4 1{ 9  > F  S X & ñ )

Å

Ò  ' V , a A  & ³p  â õ  Å Ò  ' V , a A ì  rF gZ O `  ¦ s 6 x #   í ¦  / B N \ " f Si(5 5 12)-2 × 1 l ó ø Í 0 A

\

 CaF

\  ¦ 7 £ x  Ã Ì #  l ó ø Íõ    s  ´ ú   H { 9  " é ¶  ¸  _  + þ A$ í ~ ½ ÓZ O `  ¦   ½ ¨ % i  .  : r   ½ ¨\  ¦ :  x #  500

C _  l ó ø Í 0 A\ " f CaF

  H K o ÷ &# Q CaF (113) J d ± õ  CaF (111) J d ± Ü ¼ Ð s À Ò# Q  { 9  " é ¶ 



¸  `  ¦ + þ A$ í   H  z ´`  ¦ µ 1 Ï| % i  . s   ¸  _  x 9  ¸  H CaF

7 £ x  Ã Ì| ¾ ÓÜ ¼ Ð  ¸] X ½ + É Ã º e  Ü ¼ 9, ¢ ¸ô  Ç 7

£

x  Ã Ì  ¸×  æ Si(5 5 12)-2 × 1 _  " é ¶ A  Å Òl  Ä »t ÷ &  H  כ `  ¦ S X    % i  . Õ ªo  #  CaF/Si(5 5 12) > 

 ì ø Í ¸^  \ g A\  6 £ x6 x| ¨ c 0 p x$ í `  ¦ S X    % i  .

Ù þ

d  # Q: Si(5 5 12), CaF

, CaF,  ¸  , STM

Growth of Commensurate CaF Nanowires on a Reconstructed Si(5 5 12)-2 × 1 Template

Hidong Kim · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · Jae M. Seo ∗

Department of Physics and Institute of Photonics and Information Technology, Chonbuk National University, Jeonju 561-756

(Received 17 October 2011 : accepted 1 December 2011)

The commensurate nanowire grown by thermal deposition of CaF

on Si(5 5 12)-2 × 1 at 500

C has been studied by using scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunnel- ing spectroscopy (STS). The CaF

molecules deposited on this substrate are dissociated to form one-dimensional (1D) nanowires composed of CaF (113) and CaF (111) facets. With increasing deposited amount of CaF

, the density of the nanowires increases, but the original period of Si(5 5 12)-2 × 1 is maintained. The CaF/Si(5 5 12) system is expected to have applications to the etching of semiconductors.

PACS numbers: 68.55.J-, 68.35.bg, 73.20.-r, 68.37.Ef Keywords: Si(5 5 12), CaF

, CaF, Nanowire, STM

I. " e Â ] Ø



&

³F  o  ÐÕ ªA x ü < \ g A`  ¦ :  x ô  Ç ‘d  v î  r’ ~ ½ Ód  `  ¦ :  x K  + þ

A$ í ½ + É Ã º e    H   ;  ¤ É r 25 nm & ñ  ¸ Ð" f  _  | 9 & h  ¸_  ô

 Ç> \   ¸² ú  % i  . Õ ª\    , Ã º nm\ " f Ã ºz  nm_  ß ¼

E-mail: [email protected]

l

_  ½ © ¸ Ð " é ¶   x 9 ì  r   Si l ó ø Í 0 A\ " f  µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð



¸w n ÷ &  H ‘  Ð) 3 \ O ’ ~ ½ Ód  _  l Õ ü t`  ¦   ½ ¨ >  ÷ &% 3  . s 



Qô  Ç  ¸  s    ¸& h õ  ° ú  É r  ¸p '  ß ¼l _   ¸

½

¨ ¸  H  < Æë  H& h Ü ¼ Ð  H  ª   & ³ © s      H ½ ¨ ¸Ó ü t  Ð" f, l

Õ ü t& h Ü ¼ Ð  H  ¸½ ¨ ¸\  ¦ s 6 x ô  Ç  è   Y Us $   à Ô ½  t

Û ¼' ,  ¦x 9  ¸ B j ¸o , o < Æy  t 6 x G ' p" f 1 p x \  6 £ x6 x| ¨ c  0

p x$ í s  ´ ú §  [1–4]. s  Qô  Ç 3 l q& h `  ¦ ² ú $ í l  0 Aô  Ç 0 p x ô  Ç

-1126-

~

½ ÓZ O  ×  æ _    Ð" f  ¸p '  ½ © ¸ Ð ¸ ú  & ñ _   ) a + þ Aó ø Í 0 A

\

  ¸ ½ ¨ ¸\  ¦  µ 1 Ï& h  ¸w n  ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð + þ A$ í   H l Õ ü t s  e 

 .

Si l Õ ü t s  B Ä º & ñ  § l   H t ë ß ,  ª í ß \  j þ t Ã º e  



 H Si 0 A\  8 £ x Ü ¼ Ð $ í  © r ~ ´ Ã º e    H  ª | 9 _  ] X   Ó ü t| 9  s

 \ O  . t F K  t  SiO

 @ /Â Òì  r _   è \ " f ] X   8 £ x Ü

¼ Ð æ ¼s t ë ß  f  ] X & h Ü ¼ Ð \ x × þ r  ¾ ¡ §| 9 `  ¦ t   H # 



Q8 £ x s | 9 > \  ¦ ë ß [ þ t Ã º \ O  . ì ø Í  \  CaF

(     © Ã º:

0.5462 nm) õ  Si(     © Ã º: 0.5431 nm)  H ° ú  É r   d  { 9 

~

½ Ó    \  ¦ s À Ò ¦  ©  : r \ " f     # QF M z  s     0.6 % Ð





  [5]. >   CaF

_  { ç ß   s  12 eV Ð ß ¼l  M :ë  H

\

 Si 0 A\    s  ´ ú >  $ í  ©  r ~ ´ Ã º e    H ] X   8 £ x _  Ê ê



Ð  ) a . s  כ  É r / B N" î ' V , a A s  ¸× ¼ü < ° ú  É r  ¸ 



 è _  l  : r ½ ¨ ¸ | ¨ c Ã º e    [6]. Õ ª  X <  ª | 9 _  \  x

× þ r  $ í  © `  ¦ 0 AK " f  H >   s  + þ A$ í ÷ &  H õ & ñ ÷  r ë ß    m

0 ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù m ü; c + s ÇT T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

0 ºc Ü R Si(5 5 12)-2 × 1 ] k ù m ü; c + s ÇT T c t À W ¥ CaF x ¢ Ò Å8 ý V R ËX ê s

»r ) ò 6 B · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · " k< ' å

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ x 9 F g & ñ Ðl Õ ü t ½ ¨ è, Å Ò 561-756 (2011¸ 10 Z 4 17{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 12 Z 4 1{ 9 > F S X & ñ )

Ò ' V , a A & ³p â õ Å Ò ' V , a A ì rF gZ O ` ¦ s 6 x # í ¦ / B N \ " f Si(5 5 12)-2 × 1 l ó ø Í 0 A

CaF

\ ¦ 7 £ x Ã Ì # l ó ø Íõ s ´ ú H { 9 " é ¶ ¸ _ + þ A$ í ~ ½ ÓZ O ` ¦ ½ ¨ % i . : r ½ ¨\ ¦ : x # 500

C _ l ó ø Í 0 A\ " f CaF

H K o ÷ &# Q CaF (113) J d ± õ CaF (111) J d ± Ü ¼ Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶

¸ ` ¦ + þ A$ í H z ´` ¦ µ 1 Ï| % i . s ¸ _ x 9 ¸ H CaF

7 £ x Ã Ì| ¾ ÓÜ ¼ Ð ¸] X ½ + É Ã º e Ü ¼ 9, ¢ ¸ô Ç 7

x Ã Ì ¸× æ Si(5 5 12)-2 × 1 _ " é ¶ A Å Òl Ä »t ÷ & H כ ` ¦ S X % i . Õ ªo # CaF/Si(5 5 12) >

ì ø Í ¸^ \ g A\ 6 £ x6 x| ¨ c 0 p x$ í ` ¦ S X % i .

d # Q: Si(5 5 12), CaF

, CaF, ¸ , STM

Hidong Kim · Ganbat Duvjir · Otgonbayar Dugerjav · Huiting Li · Jae M. Seo ^∗

³F o ÐÕ ªA x ü < \ g A` ¦ : x ô Ç ‘d v î r’ ~ ½ Ód ` ¦ : x K + þ

A$ í ½ + É Ã º e H ; ¤ É r 25 nm & ñ ¸ Ð" f _ | 9 & h ¸_ ô

Ç> \ ¸² ú % i . Õ ª\ , Ã º nm\ " f Ã ºz nm_ ß ¼

_ ½ © ¸ Ð " é ¶ x 9 ì r Si l ó ø Í 0 A\ " f µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð

¸w n ÷ & H ‘ Ð) 3 \ O ’ ~ ½ Ód _ l Õ ü t` ¦ ½ ¨ > ÷ &% 3 . s

Qô Ç ¸ s ¸& h õ ° ú É r ¸p ' ß ¼l _ ¸

¨ ¸ H < Æë H& h Ü ¼ Ð H ª & ³ © s H ½ ¨ ¸Ó ü t Ð" f, l

Õ ü t& h Ü ¼ Ð H ¸½ ¨ ¸\ ¦ s 6 x ô Ç è Y Us $ à Ô ½ t

Û ¼' , ¦x 9 ¸ B j ¸o , o < Æy t 6 x G ' p" f 1 p x \ 6 £ x6 x| ¨ c 0

p x$ í s ´ ú § [1–4]. s Qô Ç 3 l q& h ` ¦ ² ú $ í l 0 Aô Ç 0 p x ô Ç

½ ÓZ O × æ _ Ð" f ¸p ' ½ © ¸ Ð ¸ ú & ñ _ ) a + þ Aó ø Í 0 A

¸ ½ ¨ ¸\ ¦ µ 1 Ï& h ¸w n ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð + þ A$ í H l Õ ü t s e

.

Si l Õ ü t s B Ä º & ñ § l H t ë ß , ª í ß \ j þ t Ã º e

H Si 0 A\ 8 £ x Ü ¼ Ð $ í © r ~ ´ Ã º e H ª | 9 _ ] X Ó ü t| 9 s

\ O . t F K t SiO

@ /Â Òì r _ è \ " f ] X 8 £ x Ü

¼ Ð æ ¼s t ë ß f ] X & h Ü ¼ Ð \ x × þ r ¾ ¡ §| 9 ` ¦ t H #

Q8 £ x s | 9 > \ ¦ ë ß [ þ t Ã º \ O . ì ø Í \ CaF

( © Ã º:

0.5462 nm) õ Si( © Ã º: 0.5431 nm) H ° ú É r d { 9

½ Ó \ ¦ s À Ò ¦ © : r \ " f # QF M z s 0.6 % Ð

[5]. > CaF

_ { ç ß s 12 eV Ð ß ¼l M :ë H

Si 0 A\ s ´ ú > $ í © r ~ ´ Ã º e H ] X 8 £ x _ Ê ê

Ð ) a . s כ É r / B N" î ' V , a A s ¸× ¼ü < ° ú É r ¸

è _ l : r ½ ¨ ¸ | ¨ c Ã º e [6]. Õ ª X < ª | 9 _ \ x

× þ r $ í © ` ¦ 0 AK " f H > s + þ A$ í ÷ & H õ & ñ ÷ r ë ß m

, > _ o < Æ& h , ½ ¨ ¸& h $ í | 9 _ s K : £ ¤ y × æ כ ¹

. F-Ca-Si > 8 £ x _ > r F H Õ ª 0 A\ CaF

9 2 £ § $ í

© \ & ñ & h % i ½ + É` ¦ # $ í © B j& m 7 £ §` ¦ 4 ¤ ¸ ú > ô Ç

. 600 Ò s © _ $ í © ¸| \ " f, CaF

H > \ " f CaF

Ð K o # Si(111) ³ ð 0 A\ " f 1 × 1 Å Òl \ ¦ t H

ª | 9 _ CaF K _ Ð\ x × þ r 8 £ x` ¦ + þ A$ í ô Ç [7–9]. y © ô Ç Ca-Si ½ + Ë M :ë H \ , CaF 8 £ x _ ³ ð Ä » \ -t H L : F M ô

Ç Si(111)s CaF

³ ð Ð ± ú [10]. { 9 é ß , Si ³ ð s

CaF Ð W = s , CaF

9 2 £ § s 8 £ x8 £ x y $ í © ô Ç [6]. Õ ª

X < CaF

> \ " f Siõ [ O s t · ú §l M :ë H \ , (111) p

(vicinal surface) É r µ 1 Ï& h ¸w n \ _ ô Ç ª è _

+ þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð s 6 x # í ÐY Ut Û ¼à Ô @ / CaF

Ó ü t o x 9 o < Æ& h $ í | 9 _ s \ ¦ s 6 x # CaF

\ ¦ Û

¼ß ¼ Ð j þ t Ã º e [4,11]. ô Ç¼ # , Si(001)s Si(110) ³ ð

\ " f H ¸p ' ß ¼l _ -q \ ¦ t ¦ \ -t

© ± ú É r (111) Ü ¼ Ð s À Ò# Q { 9 " é ¶ [ þ t s ê ø Í [9, 12]. s Qô Ç Si(001), Si(110), Si(111) p ` ¦ + þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð s

6 x ½ + É M :_ ë H ] j& h É r Õ ª[ þ t _ Å Òl B Ä º a % v " f " f Ð ì

r o ) a G Ð | 9 " f e > C \ P ) a ¸ ` ¦ % 3 l ~ 1 t · ú §

H X <\ e .

½ ¨ ¸ ) a ¦x 9 Qt Ã º Si ³ ð × æ (5 5 12)-2 × 1 É r (001) \ " f (111) A á ¤ Ü ¼ Ð 30.5

l Ö ¦ # Qt ¦ [10],

Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð { 9 " é ¶ @ /g A$ í ` ¦ t H Ü ¼ Ð F ½ ¨ ¸÷ & ¦, Õ

ª ³ ð é ß 0 A [ j í_ ß ¼l 5.35 nm × 0.77 nm Ð" f Õ ª

-q Ø æì r y V , # Q" f × þ & h f ¨ Ã Ì\ _ K ¸ ` ¦ $ í

© ½ + É â Ä º Õ ª [ þ t s · ¡ # Q! Qw n = % i 9 & h ¦, ¨ î ¨ î ô Ç é ß { 9

¨% i (single domain)Ü ¼ Ð F ½ ¨ ¸÷ &l M :ë H \ · ú ¡_ â Ä º

Ð @ / & h _ + þ Aó ø ÍÜ ¼ Ð" f 6 £ x6 x 0 p x$ í s B Ä º Z } [13, 14]. s ½ ¨\ " f H Si l ó ø Í 0 A_ CaF

9 2 £ § $ í © \ @ / ô

Ç t d ` ¦ ½ ÓÜ ¼ Ð Si(5 5 12)-2 × 1 ³ ð 0 A\ " f

ê ø Í CaF ¸ _ ½ ¨ ¸ü < Õ ª 6 £ x6 x$ í ` ¦ Å Ò ' V , a A & ³ p

â (scanning tunneling microscopy: STM)õ Å Ò ' V , a A ì rF gZ O (scanning tunneling spectroscopy: STS)` ¦ s 6