应变和电场对硅表面的吸附能及结构的影响

【摘要】：在表面科学领域中,外延生长是一种极为重要的生长方式,具有广泛的应用背景,因为通过外延生长可以得到各种各样用原子尺度表面特点表征的具有独特结构和特殊物理、化学性质的材料。对微观的生长过程初始阶段了解的目的在于控制生长方法。外延生长涉及诸如化学成键和原子运动的微观过程,各种各样的因素如生长速度、衬底温度、表面再构和应力等都会影响这些过程,因此,寻找表面生长的控制方法和手段仍然是一个具有挑战性的工作,这方面的努力已经持续了30多年。 由于表面活化剂可以诱导层状生长(layer-by-layer growth),在论文的第一部分我们的研究将集中在这方面。异质生长涉及至少两种材料,它们的晶格常数往往并不一致,这将会在外延薄膜中产生应力。施加外部应力也可以使外延薄膜的再构形式发生转变。第三章中我们用基于Chadi模型和紧束缚格林函数的方法计算表面应力,发现Sb/Si(001)表面的缺陷是表面应力的各向异性太大而引起的。计算结果显示:Sb/Si(001)2×1平行于dimer方向的表面应力是1.0 eV/(1×1 cell),垂直于dimer方向的是-1.1 eV/(1×1 cell)。通过把dimer列中dimer移动到邻近的trench中,我们构成了Sb/Si(001)2×4,2×5和2×6再构,并分别计算了它们的表面应力。我们发现垂直于dimer方向的压应力被减弱了,表面应力的各向异性也因此减小。因此,实验上观察到的Sb/Si(001)表面antiphase domain boundaries的形成可归结为表面应力的释放。在第四章中我们采用了第一性原理的计算,进一步证实了这些结果,并发现Sb和Bi在Si(001)表面的(2×n)再构同样是需要释放表面应力所引发的,而且这种(2×n)再构还能引起表面应力各向异性的反转。实验上发现,这种(2×n)再构是通过空位线(vacancy lines)的形成而出现的。 虽然表面活化剂可以调制表面生长,但在生长过程完成后它往往很难被清除干净,因此需要一种更好的控制外延生长的手段,并要求它在生长过程结束后能够被容易地被移走。已经知道,扫描隧道显微镜(STM)可以用来观察样品表面的形貌和追踪外来原子在样品表面的扩散。由于STM的针尖非常靠近样品表面,在针尖和样品表面之间会产生相当强的电场,影响外来原子在样品表面的吸附位置以及扩散。