pl_goraZ.png
Zdj2.png

Lokalne właściwości powierzchni półprzewodnikowych Si i Ge z defektami...

Zakończono realizację projektu badawczego własnego N N202 169236 pod tytułem "Lokalne właściwości powierzchni półprzewodnikowych Si i Ge z defektami związanymi z adsorpcją atomów i cząsteczek". Streszczenie sprawozdania znajduje się poniżej, natomiast pełną wersję raportu można znaleźć tu.

Naukowym celem projektu było zbadanie możliwości przeprowadzenia lokalnych modyfikacji struktury powierzchni Si(001) i Ge(001), które prowadziłyby do miejscowego podniesienia reaktywności tych powierzchni. Badania miały charakter teoretyczny 

i doświadczalny. Od strony teoretycznej badania bazowały na obliczeniach strukturalnych wykorzystujących teorię funkcjonału gęstości (DFT). Od strony doświadczalnej badania bazowały na obrazowaniu powierzchni i nanostruktur za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) oraz charakteryzacji właściwości elektronowych za pomocą skaningowej spektroskopii tunelowej (STS, CITS).
W celu usprawnienia badań obliczeniowych zakupiono komputerową stację roboczą, za pomocą której wykonano szereg obliczeń i symulacji dotyczących właściwości strukturalnych
i elektronowych badanych podłoży czystych oraz z zaadsorbowanymi cząsteczkami oraz nanodrutami metalicznymi
Przebudowano posiadany układ UHV SPM umożliwiając montaż spektrometru LEED/Auger (zakupionego ze środków niniejszego Projektu) oraz rozdzielenie komory preparacyjnej od analitycznej (z LEED/Auger i UHV SPM). W komorze preparacyjnej zamontowano dwa dodatkowe źródła parowania – działo elektronowe oraz układ umożliwiający sublimację cząsteczek organicznych (wg własnego projektu i wykonania), odcięte od komory preparacyjnej dodatkowym zaworem.

W trakcie realizacji Projektu uzyskano następujące wyniki:

  • Wykazano, że modelowanie z pierwszych zasad (metodą DFT) są przydatne, wręcz niezbędne, w jednoznacznej interpretacji wyników badań prowadzonych za pomocą STM dotyczących adsorpcji molekuł organicznych i elementów metalicznych na reaktywnych powierzchniach półprzewodników takich jak Ge(100) i Si(100).

W szczególności:

  • Zbadano mechanizm adsorpcji cząsteczek acetaldehydu (CH3CHO) na Si(001) metodą DFT. Wykazano wystąpienie trzech stabilnych w temperaturze pokojowej struktur adsorpcyjnych (cykloaddycja na dimerze Si oraz wiązania mostkowe Si-O i Si-C). Wykazano za pomocą obliczeń metoda DFT, że dysocjacja grupy OH oraz inkorporacja atomu tlenu w podłoże Si wyjaśniają tworzenie się struktur widocznych na obrazach STM oraz przydatność obrazowania stanów pustych (LUMO) dla pełnej interpretacji obrazów STM.
  • Zbadano efekty elektronowe związane z adsorpcją atomów H na powierzchni Ge(001). Porównano pomiary STM/S z obliczeniami metoda DFT struktury elektronowej indywidualnych atomów H zaadsorbowanych na powierzchni Ge, wykazując występowanie dwóch stabilnych rekonstrukcji powierzchniowych (4x2) związanych z adsorpcja atomów H do górnych lub dolnych atomów Ge w zdeformowanych dimerach Ge. Obserwowany za pomocą STM stan podstawowy wynika z transferu ładunku z pasma walencyjnego Ge(001) do wiązania Ge-H.
  • Wykazano, że adsorpcja In na powierzchni Si(001) prowadzi do zwiększenia zdolności adsorpcyjnej podłoża krzemowego i tworzenia się atomowych nanodrutów (In). Zakotwiczenie atomu In pomiędzy atomami dimerów Si lub pomiędzy rzędami dimerów wyraźnie zwiększa zdolność przyłączania kolejnych atomów In na powierzchni Si(001). Zdolność tworzenia się dłuższych nanodrutów In zwiększa się wraz z ilością liniowych trimerów In.
  • Zbadano wczesne stadia wzrostu nanostruktur krzemku tytanu na zmodyfikowanym (poprzez domieszkowanie Ni) podlożu Si(100). Otrzymane nanostruktury krzemku scharakteryzowano za pomocą STM i AFM. Wykazano m.in., że liniowe defekty wykreowane na powierzchni Si(100) uniemożliwiają wzrost niskooporowej fazy C54 krzemku tytanu.
  • Wykazano, z użyciem metody DFT, że wzrost nanodrutów Pb na powierzchni Si(100) jest możliwy pomiędzy szeregami dimerów Si lub na dimerach, ale termodynamicznie stabilne są nanodruty Pb utworzone pomiędzy rzędami dimerów. Wykazano również, że dominuje zakończenie nanodrutów monomerem Pb.
  • Wykazano, że adsorpcja molekuł organicznych na powierzchniach półprzewodników grupy IV prowadzi do asymetrycznego uporządkowania dimerów podłoża w sąsiedztwie zaadsorbowanych molekuł. Wyniki obliczeń teoretycznych są zgodne z wynikami badań eksperymentalnych prowadzonych za pomocą STM.
  • Dostosowano ultra-wysoko próżniowy (UHV) układ pomiarowy do badań powierzchni Si(100), Ge(100). Wytworzono specjalistyczny i unikatowy układ do osadzania molekuł będących w warunkach normalnych w stanie ciekłym oparty o wytworzenie kontrolowanej wiązki molekularnej w UHV.
  • Wykazano, że można lokalnie aktywować czystą powierzchnię Si(100) poprzez adsorpcje molekuł organicznych (benzonitril). Wykazano, że wzrost nanodrutów ww. metali zaczyna się na defektach powierzchniowych lub w bezpośrednim sąsiedztwie zaadsorbowanych molekuł organicznych. Wytworzono nanodruty In, Pb i Al, odosobnione oraz zakotwiczone na centrach aktywnych oraz wykonano ich charakteryzację z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii i spektroskopii tunelowej, spektroskopii XPS i AES. Pokazano również możliwość kontrolowanej manipulacji położenia molekuły ostrzem STM.
  • Przeprowadzono pomiary adsorpcji cząsteczek benzonitrylu na powierzchni Si(100) oraz opracowano metodę wytwarzania nanodrutów Pb i Al. Wykazano, że wzrost nanodrutów ww. metali zaczyna się na defektach powierzchniowych lub w bezpośrednim sąsiedztwie zaadsorbowanych molekuł organicznych.

Wyniki opublikowano w dziesięciu artykułach w czasopismach z listy filadelfijskiej.

Ponadto, wykonawcy Projektu prezentowali wyniki badań podczas 6 konferencji międzynarodowych oraz 5 konferencji krajowych (5 referatów zaproszonych, 5 komunikatów ustnych oraz 7 plakatów).