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若干与吸附相关的表面问题的第一原理研究

杨宇  
【摘要】: 本文使用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,详细研究了半导体表面异质外延生长纳米线结构、Pb薄膜的量子尺寸效应对其表面吸附的影响以及Pb的adatom在Pb(111)表面氧化过程中起的作用这三个与吸附相关的表面问题。 首先,本文研究了V族元素As、Sb和Bi在1/2吸附率时,在Si(100)表面的吸附结构,并探讨了利用它们进一步生长Ge纳米线的可能性。我们发现在1/2吸附率时,As的dimer会倾向于形成线型图案,不同于Sb(Bi)的dimer形成的均匀分布的方形图案。对于As的dimer形成的线型图案,我们发现不同的As的dimer列之间的Si表面由于应变的影响,可以用来继续生长Ge的双原子链,而且最后的复合结构的价带顶完全被Ge的双原子链的电子态所决定。这揭示了低吸附率的表面吸附的预处理对于外延生长晶格失配材料的纳米结构的可行性。 其次,本文系统研究了氧分子在Pb(111)薄膜上的吸附情况,以及吸附能被薄膜的量子尺寸效应调制的现象。我们发现在不同厚度的Pb薄膜上,氧分子都是吸附在表面的Hcp空位位置上,根据氧分子取向的不同存在两个近似简并的最稳吸附态。通过对吸附结构的电子结构的详细分析,我们发现氧分子在Pb(111)薄膜表面的吸附过程是一种弱的化学吸附过程,吸附能只有几百个meV的量级。 通过进一步的研究,我们发现氧分子在不同厚度的Pb(111)薄膜上吸附的吸附能随着薄膜厚度呈现一种奇偶振荡的特性,反映了薄膜的量子尺寸效应对于薄膜表面吸附的调制作用。我们揭示了这种奇偶振荡的主要来源是吸附的氧分子和Pb(111)薄膜之间的静电相互作用。 最后,本文研究了Pb(111)表面氧化过程中表面的Pb的adatom起的重要作用。我们发现,氧分子在Pb的adatom附近的吸附是直接的分解吸附,而且吸附能比在干净的Pb表面的吸附能大了1.48 eV/原子。分解以后的氧原子和adatom以及表面的Pb原子都有成键作用。而对于一个在Pb表面已经吸附的氧分子,一个迁移的Pb的adatom也可以与之发生相互作用,并增大其吸附能。这些研究表明Pb表面的Pb的adatom对于Pb表面的氧化有很大的帮助作用。


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