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PACS numbers: 73.02.At
Keywords: ] j{ 9 " é ¶ o > í ß , H/Si(111), f ¨ Ã Ì" é ¶
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¸× ¼)Ü ¼ Ð ô Ç ¦ · ú 94 R e [7]. ì ø Í \ Ag H à º è
o ) a Si ³ ð 0 A\ " f ¸y 9 s 1 l x ¸ 7 £ x ÷ & 9 Stranski
∗
E-mail: [email protected]
-Krastanov $ í © ¸× ¼ Volmer-Weber ¸× ¼ Ð oô Ç [8–10].
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-153-
H : £ ¤$ í ` ¦ Ð . : £ ¤ y n ≥ 2 " é ¶ f ¨ à Ì÷ & H â Ä º
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H ³ ð \ " f à º è" é ¶ \ -t © # 4 \ O s µ 1 Ï& h Ü ¼
Ð ì r o | ¨ c à º e 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e % 3 .
II. 4 mU ê s0 n É
H/Si(111) 1 × 1 ³ ð 0 A\ Å Òl Ö ¦ ³ ð\ " f 3 P : × ¦ _ " é ¶ [ þ t õ 3d s F K5 Å q, ) F K5 Å q(Cu, Ag)` ¦ f ¨ Ã Ìr v
¦ y " é ¶ [ þ t_ x 9 " é ¶ ½ ¨ ¸\ ¦, Ã » ¸ íJ $ [ > ` ¦ s 6
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ß % i . > í ß \ 6 x ) a ¨ î H 15 Ry_ ] X é ß \ - t
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9÷ &# Q ô Ç . Õ ª Q & ³z ´& h Ü ¼ Ð Ã º´ ú § É r [ þ t s _
© ñ 6 x` ¦ f ] X & h Ü ¼ Ð 2 [/ å Lô Ç H כ É r Ô ¦ 0 p x Ù
¼ Ð Perdew-Wang 1 p x \ _ K & ñ w n ) a GGA(generalized gradient approximation)~ ½ ÓZ O ` ¦ ¸{ 9 % i [15]. # l \
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f " é ¶ _ Û ¼ 2 ;\ _ ô Ç ´ òõ H ¦ 9 t · ú § ¤ . Ä ºo
6 xô Ç supercell É r Si " é ¶ 8 £ x s 6> hs ¦, à º¨ î Å Òl
H 2 × 2 é ß { 9 ó ø Í ¸+ þ As . ó ø Íõ ó ø Í s H 10 ˚ A_
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H ½ + ËL : < H(dangling bond) É r " é ¶ { © ô Ç > h_ Ã º
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· ú § ¸2 ¤ Ã º è " é ¶ 8 £ x õ s ü < ½ + Ë ) a Si " é ¶ 8 £ x É r ¦
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½
¨ ¸\ ¦ % 3 % 3 . 8 ú x \ -t H 3 × 3 k-& h Õ ªÓ ü t` ¦ s 6 x
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5> h_ k-& h ` ¦ × þ # > í ß % i .
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H ] X é ß \ -t כ ¹½ ¨÷ & H כ Ü ¼ Ð · ú 94 R e H Ni " é ¶
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ô Ç # \ -t \ ¦ q § # Ð ¤ . ] X é ß \ -t \ ¦ 20 Ry Ð Z þ tw n = M :ü <, k-& h Õ ªÓ ü t` ¦ 4 × 4 Ð Z þ tw n = M :, ï rî ß & ñ
© I ç ß \ -t s _ o y y 0.05, 0.02 eV\ Ô ¦ õ
Ù þ ¡ . s H Ä ºo 6 xô Ç Ã º Ð % 3 É r õ ø @½ + É Ã
º e 6 £ §` ¦ _ p ô Ç .
III. 4 m + s ÇÊ Ý
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ì ø Í6 £ x$ í ° ú É r ? / Ò& h כ ¹ ÷ rë ß m 7 £ x à Ì÷ & H " é ¶ _ à º, $ í © : r ¸ 1 p x_ ü @ Ò& h כ ¹ \ _ K " f ¸ % ò ¾ Ó` ¦
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à Î> ÷ & H X < # l \ " f H ü @Â Ò ¨ 8 â \ % ò ¾ Ó` ¦ ~ à Ît · ú § H
Fig. 1. Stablest geometries of the adatoms f ormed without energy barrier on the H/Si(111) surface for (a) Na, Al, Cu, and Ag, (b) Si, P, and S, (c) Cl, (d) Sc, Ti, V, and Cr, (e) Mn and Fe, and (f) Cr and Ni, respectively.
White, gray, and black spheres denote the substrate Si, H, and adatom, respectively.
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¨ Ã Ì" é ¶ ü < ³ ð _ í H Ã ºô Ç © ñ 6 x` ¦ × æ& h & h Ü ¼ Ð ¶ ú ( R
Ð ¤ . s \ ¦ 0 AK " f $ / B N × æ \ " f 7 £ x à Ì÷ & H " é ¶ _
µ 1 Ï& h f ¨ à ̽ ¨ ¸ü < ½ + Ë\ -t \ ¦ þ j ¦ ¸ â y
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í ß H ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð" f > í ß ) a ½ ¨ ¸ H \ -t © # 4 \ O s
¸² ú ½ + É Ã º e H f ¨ à ̽ ¨ ¸\ ¦ · p ¦ ½ + É Ã º e . þ j í f
¨ Ã Ì" é ¶ H ³ ð 0 A 4 ˚ A_ # Q 0 Au \ Z ~ ¦ " é ¶ ½ ¨ ¸\ ¦
>
í ß % i . Fig. 1 É r © î ß & ñ ) a \ -t © I _ " é ¶
½
¨ ¸\ ¦ · p כ s . " é ¶ ½ ¨ ¸_ ½ + Ë \ -t H Table 1 \ ? /% 3 .
Fig. 1(a) H · ú º ú o F K5 Å q(Na), III7 á ¤ F K5 Å q(Al), Õ ªo ¦ )
F K5 Å q(Cu, Ag)_ f ¨ à ̽ ¨ ¸ s . # l \ " f f ¨ à Ì" é ¶ _
Table 1. Valence electron configurations(conf), bind- ing structures(struc), and their binding energies (E
b) in eV of the adatoms with various valencies. The binding structures are displayed in Fig. 1, and the binding ener- gies are calculated by E
b= E
sub+ E
atom− E
tot, where E
sub, E
atom, E
totindicate the energies of the substrate, adatoms, and binding structures of adatom, respectively.
Note that the binding structures are the stablest geome- tries f ormed without energy barrier.
Atom conf struc E
bAtom conf struc E
bNa 2s
1a 1.01 V 4s
23d
3d 5.82
Mg 2s
2- 0.03 Cr 4s
23d
4d 6.11
Al 2s
23p
1a 1.22 Mn 4s
23d
5e 6.05
Si 2s
23p
2b 3.20 Fe 4s
23d
6e 5.51
P 2s
23p
3b 4.14 Co 4s
23d
7f 4.84
S 2s
23p
4b 4.73 Ni 4s
23d
8f 4.73
Cl 2s
23p
5c 1.32 Cu 4s
13d
10a 1.73
Sc 4s
23d
1d 4.61 Ag 5s
24d
10a 0.51
Ti 4s
23d
2d 5.25 Zn 4s
23d
10- 0.00
© î ß & ñ ) a f ¨ Ã Ì0 Au H H
3( ³ ð \ " f W 1 P : Si " é ¶ 8
£
x Ð 0 A) Ð l ó ø Í(substrate)_ ½ ¨ ¸\ ¦ _ or v t
· ú §Ü ¼ " f ô Ç ½ + Ë` ¦ + þ A$ í H : £ ¤$ í ` ¦ Ð [10].
Na, Al, Cu, Ag " é ¶ _ ½ + Ë \ -t H y y 1.01, 1.22, 1.73, 0.51 eV Ð > í ß ÷ &% 3 .
Fig. 1(b) H IV ∼ VI 7 á ¤ " é ¶ è Si, P, S _ " é ¶ ½ ¨ ¸ Ð, Ã
º è" é ¶ ü < f ¨ Ã Ì" é ¶ u ¨ 8 ÷ & H ½ ¨ ¸ © î ß & ñ ) a
\
-t ½ ¨ ¸ כ Ü ¼ Ð > í ß ÷ &% 3 . Ã º è o ) a Si ³ ð \ Si ½ + Ë| ¨ c M : Ã º è_ µ 1 Ï& h u ¨ 8 É r s p (001) ³ ð õ
[13] (111) ³ ð [14]\ " f ] j{ 9 " é ¶ o > í ß õ µ 1 ϳ ð ) a
e H X <, s ü < 8Ô ¦ # Q ë B6 £ § ½ + Ë(covalent bonding)` ¦
H P, S _ â Ä º\ ¸ Si õ Ä » ô Ç : £ ¤$ í ` ¦ Ð# Å Ò H כ
`
¦ : r > í ß \ " f S X ½ + É Ã º e % 3 . Si, P, S _ ½ + Ë \ - t
H y y 3.20, 4.14, 4.73 eVs .
Cl " é ¶ H ³ ð \ " f à º è" é ¶ \ ¦ ì r o r v ¦ Cl-H
½ +
Ë` ¦ + þ A$ í ô Ç (Fig. 1(c)). s M : Cl " é ¶ H ³ ð \ f ¨ Ã Ì
÷
&t · ú §Ü ¼ 9 é ß t à º è" é ¶ \ ¦ b # Q? / H % i ½ + É` ¦ ô Ç .
3d s F K5 Å q × æ Sc, Ti, V, Cr " é ¶ H IV ∼ VI7 á ¤ " é ¶ è ü
< Ä » > Ã º è" é ¶ ü < f ¨ Ã Ì" é ¶ µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð u ¨ 8 ) a
(Fig. 1(d)). é ß f ¨ Ã Ì" é ¶ H IV ∼ VI7 á ¤ " é ¶ èü < ² ú o H
3\ o ¸ ú H . É r 3d s F K5 Å q × æ Fe, Mn õ Ni, Co
"
é
¶ H y y H
3ü < T
4( ³ ð \ " f ¿ º P : Si " é ¶ 8 £ x Ð 0
A) 0 Au \ f ¨ à Ì÷ &% 3 ` ¦ M : © î ß & ñ ) a . s â Ä º\ H Õ
ªa Ë >\ " f Ð1 p w s s Ö ©ô Ç Siõ Hü < ½ + Ë` ¦ + þ A$ í H כ
`
¦ S X ½ + É Ã º e .
Mg, Zn " é ¶ H ³ ð 1\ " f Ð1 p w s ³ ð \ ) f ¨ à Ì÷ &
t
· ú § H . s H " é ¶ ½ ¨ ¸\ " f f ¨ Ã Ì" é ¶ ü < ³ ð ç ß _ o
3.8 ˚ A& ñ ¸ Ð Ø æì r y Y O o b # Q4 R e ¦ o 0 >t ¸y 9 \ -t 7 £ x H כ \ " f S X ½ + É Ã º e
% 3 .
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Qô Ç f ¨ à ̽ ¨ ¸[ þ t \ " f f ¨ à Ì" é ¶ ü < ³ ð õ © ñ 6 x
`
¦ ¶ ú ( R Ð Ã º è o ) a Si(111) ³ ð 0 A\ " é ¶ _ f ¨ Ã Ì s
þ jü @y _  Òì r& h Ü ¼ Ð G 0 > © I à ºü < x 9 ] X ô
Ç ' aº ` ¦ t H כ ` ¦ S X ½ + É Ã º e . 7 £ ¤ Mg(3s
2), Zn(3d
104s
2) ü < ° ú s © I T q ` ð ø Í " é ¶ [ þ t É r ³ ð õ
Á º ì ø Í6 £ x` ¦ t · ú § H . Fig. 1(a)_ ½ + Ë` ¦ + þ A$ í
H " é ¶ [ þ t É r ¸¿ º þ jü @y \ 1> h_  Òì r& h Ü ¼ Ð G 0 >
© I e (Na : 2s
1, Al : 2s
23p
1, Cu : 3d
104s
1, Ag : 4d
105s
1). ì ø Í \ 2 > h s © _ Â Òì r& h Ü ¼ Ð G 0 >
© I \ ¦ t H " é ¶ [ þ t(IV ∼ VI7 á ¤ " é ¶ , 3d s F K 5
Å q) É r 3.20 ∼ 6.11 eV & ñ ¸_ y © ô Ç ½ + Ë` ¦ + þ A$ í ô Ç [16].
Ã
º è o ) a Si(111) ³ ð 0 A\ H ¸ H ½ + ËL : < H s à º
è" é ¶ ü <_ ½ + Ë\ _ K ] j ÷ &# Q e . " f f ¨ Ã Ì" é ¶
³ ð õ o < Æ& h ½ + Ë` ¦ ë ß [ þ t l 0 AK " f H Si-H _
½ +
Ë < H` ¦ ] j r v ¦ s õ & ñ \ " f ë ß [ þ t # Qt H Si ¢ ¸ H H
"
é
¶ _ ½ + ËL : < H õ ½ + Ë` ¦ ë ß × ¼ H õ & ñ s 9 כ ¹ .
H-Si _ ½ + Ës ] j ÷ & y y _ " é ¶ \ " f ½ + ËL : < H s
ô Ç > hm µ 1 ÏÒ q t÷ &l M :ë H \ î ß & ñ ) a ½ + Ë` ¦ ë ß [ þ t l 0 AK
"
f H f ¨ à Ì" é ¶ \ s [ þ t õ ½ + ˽ + É Ã º e H 2 > h s © _
© I > r F K < Ê` ¦ · ú Ã º e . ì ø Í \ s [ þ t õ
½ +
˽ + É Ã º e H 1 > h_ © I ë ß s e H " é ¶ _ â Ä º\ H
³
ð s f ¨ Ã Ì" é ¶ \ 1> h_ ½ + ËL : < H` ¦ z Z ~ > ) a
. Fig. 1(a)_ f ¨ à ̽ ¨ ¸\ ¦ ë ß × ¼ H " é ¶ [ þ t É r Si \ q K
± ú
É r 2 ; o ¸ Ð # ³ ð õ o < Æ& h ½ + Ë` ¦ t
· ú § ¦ f ¨ Ã Ì" é ¶ \ & h Ä »÷ &t · ú § H © I \ ¦ z Z ~
H . ì ø Í \ Cl " é ¶ H Si \ q K 2 ; o ¸ ß ¼l M
:ë H \ [17] ³ ð _ Ã º è " é ¶ Cl " é ¶ Ð s 1 l x H כ Ü
¼ Ð s K ½ + É Ã º e . t ë ß s â Ä º\ ¸ ³ ð \ Si
½ +
ËL : < H` ¦ z Z ~ l M :ë H \ s Qô Ç 7 á x À Ó_ " é ¶ [ þ t É r 1 eV & ñ ¸_ q §& h ± ú É r ½ + Ë \ -t \ ¦ t > ÷ & H כ s
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© õ ° ú s Si ³ ð õ î ß & ñ & h ½ + Ë` ¦ ë ß [ þ t l 0 AK
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f H 2 > h s © _ ½ + Ë 0 p xô Ç © I > r F K < Ê É r s
K ½ + É Ã º e . Õ ª Q # l \ " f ô Çt F p e H & ³ ©
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r à º è_ » 1 Ï Ã Ìs Á º \ -t © # 4 \ O s µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð { 9
# Qè ß H z ´s . As Ga 1 p x` ¦ > Ö ¸$ í ] j Ð 6 x
H â Ä º\ ¸ f ¨ Ã Ì" é ¶ s [ þ t õ u ¨ 8 ÷ & H õ & ñ ` ¦ : x K
î ß & ñ o ) a H כ É r µ 1 ß) e [3,18]. Õ ª Q s
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Ä º\ H u ¨ 8 õ & ñ \ " f 1 eV & ñ ¸_ H Ö ¸$ í o \ -t
כ ¹½ ¨ ) a . s \ ì ø ÍK Ã º è" é ¶ H \ -t © # 4 \ O s µ
1 Ï& h Ü ¼ Ð u ¨ 8 ÷ & H : £ ¤$ í ` ¦ Ð . s Qô Ç & ³ © ` ¦ 7 á § 8
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Fig. 2 H ³ ð \ " f 1> h_ Ã º è" é ¶ \ ¦ b # Q ? / H X < 9 כ
¹ô Ç \ -t © # 4 ` ¦ > í ß ô Ç õ s . ± p À »8 £ x Si " é ¶ 8 £ x
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" f à º è" é ¶ _ Z } s \ ¦ 1.5 ∼3 ˚ A t ¸F Km or v
" f \ -t _ o\ ¦ ¶ ú ( R Ð ¤ . ¨ î + þ A © I \ " f H-Si
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3 ˚ A â Ä º H ³ ð \ " f à º è" é ¶ » 1 Ï Ã Ì ÷ &% 3 6 £ §` ¦ _ p ô Ç . f ¨ à Ì" é ¶ H ³ ð \ à ºf ô Ç ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð 3, 4, 5 ˚ A _ { 9 & ñ ô Ç Z } s \ ¦& ñ r ( Ü ¼ 9, f ¨ à Ì" é ¶ _ à ºf ~ ½ Ó ¾ Ó _ Ä » ¸\ ¦ ] jü @ô Ç ¸ H " é ¶ [ þ t É r Ä »\ v > s ¢ - a| ¨ c à º e
¸2 ¤ % i . > í ß õ \ _ Ã º è\ ¦ » 1 Ï Ã Ìr v H õ
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¦ Ð# Å Òl M :ë H \ # l \ " f H Ag, Si, Sc ô ÇK ? /
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¨ Ã Ì" é ¶ ü < ³ ð ç ß o 4 ˚ A s © â Ä º\ H ¸ H
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¶ \ " f à º è_ » 1 Ï Ã Ì` ¦ 0 AK " f H Ö ¸$ í o \ -t 9 כ
¹ H כ ` ¦ · ú Ã º e . t ë ß f ¨ Ã Ì" é ¶ ³ ð \ " f
Fig. 2. Total energy variations as a function of the dis- tance between the H and the topmost Si layer (z) for the (a) Ag, (b) Si, and (c) Sc adatoms with fixed distances between the adatom and Si top layer (z
a−Si). Black cir- cles, open circles, and black squares show the calculated values for z
a−Si= 3, 4, and 5 ˚ A, respectively.
3 ˚ A s ? / Ð ] X H > ÷ & " é ¶ _ 7 á x À Ó\ H » 1 Ï Ã Ì : £ ¤
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s B Ä º ß ¼> o ) a .
Na, Al, Cu, Ag " é ¶ 1 p x É r ³ ð 0 A Ð Á ºo ¾ ú > ] X
H 8 ¸ Ã º è_ » 1 Ï Ã Ìs µ 1 Ï& h Ü ¼ Ð µ 1 ÏÒ q t t H · ú §
H (Fig. 2(a)). s Qô Ç " é ¶ [ þ t_ f ¨ à ̽ ¨ ¸ H ¸¿ º Fig.
1(a)_ + þ AI s 9 þ jü @y \ 1> h_ Â Òì r& h Ü ¼ Ð G 0 >
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Qô Ç & ³ © ` ¦ 7 á § 8 & ñ S X y s K l 0 AK " f Fig. 3\ s
õ & ñ \ " f " é ¶ Z > © I x 9 ¸(site-dependent projected
Fig. 3. Site-dependent projected density of states (SP- DOS) for the (a) Ag, (b) Si, and (c) Sc adatoms with H segregation. Solid, dotted, and dotted-broken lines rep- resent for the SPDOS originated from the substrate Si, H, and adatoms, respectively. The arrows indicate the bonding states of substarte and adatoms (see text). The distances between the adatom and Si top layer (z) and distances between the H and Si top layer(z
a−Si) are (1) 4.0 and 1.5, (2) 3.0 and 1.5, (3) 3.0 and 2.1, (4) 3.0 and 2.7 ˚ A, respectively.
DOS)_ o\ ¦ ? /% 3 . " é ¶ Z > © I x 9 ¸_ > í ß \
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" f & h Y O # Qt " f Ag " é ¶ ü < ½ + Ë` ¦ ë ß [ þ t 5s
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H \ µ 1 Ï& h à º è_ » 1 Ï Ã Ìs 0 p x t · ú § H כ ` ¦ s K
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Fig. 3(b) H Si " é ¶ f ¨ Ã Ì| ¨ c M : Ã º è_ » 1 Ï Ã Ì õ & ñ \
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f © I x 9 ¸s . Õ ªa Ë >\ ³ ðr ) a y © I _ x 9 ¸ H Fig. 4 \ ? /% 3 . Si s ³ ð \ " f Y O o b # Q4 R e ` ¦ M
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1). Si f ¨ Ã Ì" é ¶ ³ ð \ 3 ˚ A& ñ ¸ Ð
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2, p
02) Ã º è ³ ð
\ " f & h & h Ü ¼ Ð » 1 Ï Ã Ì÷ & f ¨ à Ì" é ¶ _ p ï r0 A y y
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03, p
04) ü < H _ s ï r0 A(p
3, p
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04) s õ & ñ É r ½ + Ë\ Ã Ð# H f ¨ Ã Ì" é ¶ _ p ï r 0
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Fig. 4. Charge density for the bonding states of Si adatom which is integrated in the energy range of ± 0.1 eV from the each peak indicated by arrows in Fig. 3(b) with all over the k points in the surface Brillouin zone.
The first contour and the contour spacing are 0.02 and 0.01 e/(a.u.)
3, respectively. The white and small gray spheres represent the Si and H atoms, respectively.
à Ì÷ & H : £ ¤$ í ` ¦ Ð# ï r . s H Sc s ³ ð õ ì ø Í6 £ x½ + É M : 4s
3d ï r0 A Ð s " f ½ + Ë0 p xô Ç Ã º\ ¦ 7 £ x
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[16] Though Sc(4s
23d
1) has only one electron in 3d state, it strongly adsorbed on the H/Si(111) surface, which is expressed by creation of unpaired electrons by electrons transition for 4s → 3d in adsorption.
i.e.,4s
23d
1→ 4s
13d
2. The calculated energy differ- ence between the 4s and 3d orbitals is only 0.7 eV, which means that the transition can easily occur in adsorption.
[17] The binding energy of Cl-H is larger than that of Si-H by 0.82 eV.
[18] Y. Ko and K. Chang, Phys. Rev. B 60, 1777 (1999).
Adsorption Properties of Adatoms with Various Valencies on Hydrogenated Si(111) Surface.
Hojin Jeong and Sukmin Jeong
∗Department of Physics, Chonbuk National University, Chonju 561-756 (Received 30 December 2004)
Using first-principles calculations, we investigated the reactivities of adatoms with various va- lencies on hydrogenated Si(111) surfaces. We found that the reaction properties of adatoms have trends depended on the number of partially filled orbitals (n). Adatoms with n = 0 (Mg and Zn) did not interact with the surface, but adatoms with n = 1 (Na, Al, Cu, and Ag) weakly bonded to the surface without distinct surface reconstructions. On the other hand, adatoms with n > 2 (IV
∼ VI, and 3d transition metals) adsorb strongly on the surface. In this case the H atom can be segregated away from the surface without an energy barrier in adsorption.
PACS numbers: 73.02.At
Keywords: First-principles calculation, H/Si(111), Adatom.
∗
