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研究生： 林盈秀
Lin, Ying-Hsiu
論文名稱： 使用第一原理計算探討表面吸附物間之交互作用
Ab initio Study of Direct Adsorbate-Adsorbate Interactions
指導教授： 林登松
Lin, Deng-Sung
鄭弘泰
Jeng, Horng-Tay
口試委員: 陳煜璋
林炯源
陳正中
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 英文
論文頁數： 111
中文關鍵詞： 半導體 、交互作用 、吸附物 、第一原理 、表面
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    • 本論文主要是使用第一原理計算來探討 Si(100) 表面上吸附的原子團，彼此間之交互作用大小和不同的表面吸附結構對應之表面能量。當原子團吸附在表面時，它不僅會和所吸附的基板作用，吸附的原子團彼此間亦會有交互作用。我們稱吸附原子團彼此之交互作用為 “吸附物-吸附物交互作用”。雖然“吸附物-吸附物交互作用”遠小於 “吸附物-基板交互作用”，但是它卻大大地影響表面吸附物的排列結構。我們利用 Si(100) 表面上吸附不同的原子團，系統化地研究此課題。
    本論文各章節編排如下:第一章簡介研究動機，相關文獻，和 Si(100) 表面結構。第二章描述模擬計算之理論架構，和掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy)，核心層光電子能譜 (Core-Level Photoelectron Spectroscopy) 之操作原理。第三及第四章則分別針對兩種不同的吸附物系統，進行“吸附物-吸附物交互作用”之研究、分析與討論。第五章為結論。
    在第三章中，我們利用密度泛函理論 (Density Functional Theory) ，計算 Si(100) 表面上吸附1:1的氫原子和鹵素原子(例如：H-Cl )，或是1:1的相異鹵素原子(例如：I-Cl )，在不同的表面排列結構下的表面能量，來研究“吸附物-吸附物交互作用”。藉由分析不同的表面排列結構對應的表面能量，計算出“吸附物-吸附物交互作用”之大小，並用電子雲重疊模型合理解釋所算出的“吸附物-吸附物交互作用”大小。我們發現，不論是1:1的氫原子和鹵素原子系統(或是1:1的相異鹵素原子系統)，(2□2) 的表面排列結構，都是能量最低的，並且不同的排列結構對應之能量排序都是相同的。 這樣的結果，意謂著造成排列的物理機制，在不同的系統中卻是一樣的。我們的理論模擬也解釋了實驗 STM 的觀測結果。
    在第四章中使用相同的方法，我們計算 Si(100) 表面上吸附1:1的氫原子和極化原子團簇(例如：H-OH ) 來研究“吸附物-吸附物交互作用”。我們使用極化分子:水 (H2O), 氨 (NH3), 甲醇 (CH3OH), 和甲胺 (CH3NH2) 吸附在 Si(100) 表面。由於這些極化分子都是裂解式吸附在 Si(100) 表面上，產生 –H, –OH (或是 –NH2 或是 –CH3O或是 –CH3NH) 之吸附物。經由分析極化原子團簇之“吸附物-吸附物交互作用”，我們發現氫鍵使極化原子團彼此相互吸引，而電子雲重疊使原子團彼此相互排斥，而這兩種相互競爭的作用力，是影響表面排列結構的主要因素。同時，我們使用裸露的 Si 原子(也就是沒有吸附任何原子的 Si)，來研究“吸附物-吸附物交互作用”。乾淨的Si(100)-2□1 表面是由一對一對經由 □-bond 鍵結的懸鍵 (Dangling Bonds) 所組成。我們以懸鍵作為另一種的“吸附物”， 探討“吸附物-吸附物交互作用”，發現在沿著 [0, 1, -1] 方向上，懸鍵彼此間互相吸引。
    本論文中我們首先提出藉由分析不同表面排列結構，定量化計算出“吸附物-吸附物交互作用”大小。在兩種不同的吸附物系統中，了解產生“吸附物-吸附物交互作用”的物理機制，和此交互作用對於表面排列結構之影響。這樣的理論分析提供了一個很好的方式來探討表面結構之相關研究。

    Contents Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 2 1.2 Literature Review 6 1.3 Si(100) Surface 14 Chapter 2 Methods 23 2.1 Theoretical Methods 23 2.2 Experimental Methods 32 2.2.1 The Vacuum System 32 2.2.2 Scanning Tunneling Microscopy 35 2.2.3 Core Level Photoelectron Spectroscopy 40 Chapter 3 Energetics and Interactions of Mixed Halogen Adsorbates on Si(100) 43 3.1 Introduction 43 3.2 Method 45 3.2.1 Computation Details 45 3.2.2 Steric Interaction Model 46 3.3 Results and Discussion 52 3.3.1 Relaxed Structure and Simulated STM Images of ICl/Si(100) 52 3.3.2 Calculated Adsorbate-Adsorbate Energy 56 3.3.3 Interaction Between Halogen Adsorbates 62 3.3.4 Origin of the Interaction 66 3.4 Conclusion 70 Chapter 4 Energetics and Competing Interactions of Polar Adsorbates on Si(100) 71 4.1 Introduction 71 4.2 Method 75 4.2.1 Computation Details 75 4.2.2 Interaction Model 76 4.3 Results and Discussion 84 4.3.1 Calculated Adsorbate-Adsorbate Energy 84 4.3.2 Origin of the Interaction 89 4.3.3 Attraction Between Dangling Bonds 100 4.4 Conclusion 103 Chapter 5 Conclusion 104 Reference 107

    Reference
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