50 华南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 第 46 卷 Ag 在 Si 表面上按 Stranski Krastanov 模式生长 [8]. 对于 Ag 在 Si 表面吸附的理论研究相对较少, 为此, 本文基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理研究了 Ag 在硅惯习面 Si(111) 面和 Si

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1 2014 年 9 月 Sep.2014 华南师范大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHCHINANORMALUNIVERSITY (NATURALSCIENCEEDITION) 第 46 卷第 5 期 Vol.46 No.5 文章编号 : (2014) Ag 在 Si 表面吸附的第一性原理研究 张苗 1, 侯贤华 1, 王基蕴 1, 赵灵智 2, 胡社军 1 1, 汝强 (1. 华南师范大学物理与电信工程学院, 广东省量子调控工程与材料重点实验室, 广州 ; 2. 华南师范大学光电子材料与技术研究所, 广州 ) 摘要 : 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法计算优化了 Ag 原子在硅惯习面 Si(111) 和 Si(220) 晶面的最佳吸附位置, 并计算了 Ag/Si(111) 和 Ag/Si(220) 体系的表面吸附能和表面态电子结构. 研究表明 :Si 基表面 Ag 原子的最稳定吸附居于 Si(220) 晶面的穴位, 此时的吸附能最低, 其值为 eV, 属于强化学吸附 ; 同时由于在 Ag/Si(220) 体系中,Ag 4d 轨道和表面态 Si 3s 3p 轨道电子的强相互作用, 以及 Ag 4p 轨道的电子云强偏向于 Si 3s 3p 轨道使得体系的能隙宽度变窄, 导电性急剧增大. 关键词 : 表面吸附 ;Ag/Si(111);Ag/Si(220); 第一性原理中图分类号 :O78 文献标志码 :A doi: /j.jscnun FirstPrinciplesStudyofAgAdsorptiononSiSurfaces ZhangMiao 1,HouXianhua 1,WangJiyun 1,ZhaoLingzhi 2,HuShejun 1,RuQiang 1 (1.LaboratoryofQuantumEngineeringandQuantumMaterials,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering,SouthChinaNormalUniversity, Guangzhou510006,China;2.InstituteofPhysicsandTelecommunicationEngineering,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China) Abstract:TheadsorptionofAgonSi(111)andSi(220)crystalsurfacesisstudiedbyfirstprinciples.Prefered adsorptionsites,adsorptionenergy,disociationenergyandelectronicstructureoftheag/si(111)andag/si (220)systemsarecalculatedseparately.ItisfoundthatAgisadsorbedontheSi(220)holowsitemorefavorably thanontheothersitesandthecalculatedadsorptionenergyonthesi(220)holowsiteis5 2569eV,belongingto astrongchemicaladsorption;theboundswouldbeformedbetweenagandthefirstlayer ssi.theelectronsinthe Ag4pstateswouldtransfertoAg5s,4dand3pstates.TheinteractionbetweenAgandSi(220)surfaceisdue mainlytotheag4dandsi3s,3pstates,meanwhile,theadsorptionofagonsisurfacewouldnarowtheenergy regionofthedensityofstatesandag4p,5sstatestransfertoleft. Keywords:surfacesadsorption;Ag/Si(111);Ag/Si(220);firstprinciples [1-2] 由于硅基半导体在微电子领域中的重要应用, 纯净半导体表面吸附金属的特性研究受到人们极大的关注. 特别是在基础研究领域, 它为理解肖特基势垒的组成 薄膜生长 纳米结构组成等物理现象提供了很好的模型.Ag/Si 体系就是研究纯净半导体表面吸附金属特性的一个重要模型. 在实验方面, 国内外研究者已经通过各种实验技术制备了 Ag 原子在 Si 表面的沉积薄膜. 实验表 明, 室温时,Ag 在 Si(111) 面按照 Frenk Vander Merwe 模式逐层生长 [3-6], 单层的 Ag 在 Si(111) 面上的沉积, 即出现 Ag 的凝聚相. 随着 Ag 的覆盖厚度增加,Ag 会在 Si 表明聚集成岛并出现晶体 Ag 的 [7] 结构.Kimura 等报道, 在 Ag 原子的覆盖度为 0 5 温度为 760K 时,Ag 在 Si(001)-(2 1) 表面最稳定的吸附位置是二重桥位. 在 Ag/Si(100) 体系中, 沉积在 Si 表面上的 Ag 使 Si 恢复为理想表面, 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( , , , ); 广东省自然科学基金项目 (S , S );2012 年华南师范大学青年教师科研培育基金项目 ; 广东高校优秀青年创新人才培育项目 (2012LYM_0048); 广州市科技计划项目 (11C ); 广州市珠江科技新星专项 (2012J ) 通讯作者 : 侯贤华, 副教授, houxh@scnu.edu.cn.

2 50 华南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 第 46 卷 Ag 在 Si 表面上按 Stranski Krastanov 模式生长 [8]. 对于 Ag 在 Si 表面吸附的理论研究相对较少, 为此, 本文基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理研究了 Ag 在硅惯习面 Si(111) 面和 Si(220) 面的吸附性质, 以期从电子结构层次上寻找 Ag 在 Si 表面上的最佳吸附位置, 研究其吸附构型, 从而揭示 Ag 与 Si 的作用机理, 为实验研究提供理论指导. 豫, 优化后的结构如图 1B G 所示. 1 计算模型与方法 采用 MaterialStudio4.1 软件包中的 CASTEP 程 [9] 序进行计算,CASTEP 为基于密度泛函理论 (DFT) 的平面波赝势方法的量子力学程序. 计算中, 选用广义梯度近似 (GGA) 下的 PW91 泛函来描述电子间交换能 [10], 平面波截止能取 270eV, 不可约布里渊区的 K 点取为 3 3 1, 体系中各原子核内层电子对外层电子之间的库仑吸引势采用超软 (ultrasoft) 赝势, 在进行各项计算之前均采用 BFGS 方法对构建模型进行几何优化, 以获取其局域最稳定结构. 自洽计算时, 原子的总能量收敛值取为 ev/atom, 平均原子力低于 0 5eV/nm, 最大原子位移容差小于 nm,ag 和 Si 原子的原子轨道分别取为 Ag4p 6 4d 10 5s 1 和 Si3s 2 3p 2. 纯硅为面心立方结构, 对其进行 X- 射线衍射, 分析其衍射图谱发现其最强衍射峰对应于 (111) 衍射晶面, 相应的 2θ 为 ; 次强峰对应于 (220) 衍射晶面, 相应的 2θ 为 利用 BFGS 方法优化 Si 的原胞, 并构建 Si(111) 和 Si(220) 表面结构, 表面层选用超原胞 (2 2 1) 的三层结构, 另外, 表面层上方加 1nm 真空层, 取 6 层纯 Si 原子层 ( 图 1A F). 对 Si(111) 和 Si(220) 表面超原胞进行几何优化, 计算时, 允许所有 6 层原子进行表面弛 A B 优化前后的 Si(111) 清洁表面 ;C D E Ag 在 Si(111) 面的顶 桥 穴位吸附图 ;F G 优化前后的 Si(220) 清洁表面 ;H I J Ag 在 Si(220) 面的顶 桥 穴位吸附图图 1 构造的 Si 表面以及 Ag 在 Si 表面 ( 顶位 桥位 穴位 ) 的吸附图 Figure1 ConstructedSisurfaceandadsorptionfigure(top site,bridgesite,holowsite)ofagonsisurfaces 在 Si 表面, 固定最低 2 层原子, 选择 3 个不同初始位置对 Ag 进行吸附. 在图 1C H 中,Ag 原子垂直于 Si 原子顶部 (top),ag 原子有 1 个最近邻 Si 原子, 此位置称为顶位 ; 在图 1D I 中,Ag 原子垂直吸附于表面 2 个 Si 原子中间,Ag 原子有 2 个最近邻 Si 原子, 此位置称为桥位 (bridge); 在图 1E J 中,Ag 原子垂直于表面 4 个 Si 原子的中心, 此位置称为穴位 (holow).ag 在 Si 表面吸附前后超原胞的晶格参数如表 1 所示. 表 1 Ag 在 Si 表面吸附前后超原胞的晶格参数 Table1 ThelaticeparametersofsupercelbeforeandafterAgadsorptiononSisurfaces Ag 的位置 a/nm b/nm c/nm α/( ) β/( ) γ/( ) 未吸附 Ag 的 (111) 面 (111) 面顶位 (111) 面桥位 (111) 面穴位 未吸附 Ag 的 (220) 面 (220) 面顶位 (220) 面桥位 (220) 面穴位

3 第 5 期张苗等 :Ag 在 Si 表面吸附的第一性原理研究 51 2 计算结果与讨论 2.1 吸附构型和吸附能表 2 给出了 Ag 原子在 Si(111) 晶面和 Si(220) 晶面各吸附位置的几何及能量参数的优化结果, 其中 r Ag Si 表示 Ag 原子与最近邻 Si 原子之间的距离, E ads 为吸附能,E 为吸附后超原胞的总能量, 吸附能定义为 : E ads =- 1 N [E Ag/slab-E clean -NE Ag ], 其中 E Ag/slab 为体系总能量,E clean 为清洁表面总能, E Ag 为 Ag 原子总能,N 为原胞中 Ag 原子的数目 [11]. 根据定义, 吸附能为正时, 吸附过程是放热过程, 则吸附属于稳定吸附 ; 反之, 吸附能为负时, 吸附过程是吸热过程, 则属于非稳定吸附. 表 2 Ag/Si 表面体系优化后的几何及能量参数 Table2 Thegeometryandenergyparametersaftersystemopti mizationofag/sisurfaces Ag 的初始位置 r Ag Si /nm E ads /ev E/eV 游离 Ag (111) 面顶位 (111) 面桥位 (111) 面穴位 (220) 面顶位 (220) 面桥位 (220) 穴位 从表 2 可知,Ag 原子与最近邻 Si 原子的距离整体表现为 r Ag Si(220) >r Ag Si(111),Ag 在 Si(220) 面不同位置的吸附能均大于 Ag 在 Si(111) 面相对应位置的吸附能, 且 Ag 在 Si(220) 面空穴的吸附能高达 eV, 属于最稳定的超强化学吸附. 同时,Ag 在 (111) 面顶位的吸附能为负值, 表明 Ag 在 Si(111) 面吸附过程是吸热过程, 属于非稳定吸附. 此外,Ag 在 Si(111) 桥 穴位置的吸附能均为正值, 表明 Ag 在 Si(111) 桥 穴位置的吸附过程是放热过程, 属于稳定吸附, 且其吸附能远大于物理化学吸附临界值 (0 415eV), 因此,Ag 在 Si(111) 桥 穴位置的吸附是强化学吸附 [12]. 表 2 中,Ag 在 Si(220) 面的顶 桥 穴位的吸附能均大于物理化学吸附临界值 0 415eV, 均为强化学吸附. 对比各晶面在不同位置的吸附能可知,Ag 在穴位的吸附能大于 Ag 在桥位和顶位的吸附能, 说明 Ag 在穴位比在桥位和顶位更容易吸附. 2.2 Ag/Si(220) 吸附体系的 Muliken 电荷布局 Ag 原子在 Si 表面吸附, 必然伴随着原子间的 电荷转移和表面电子结构的变化. 因此, 根据 Ag 原 子在 Si 表面吸附前后的 Muliken 电荷布局, 可以得 出 Ag 原子与 Si 表层原子间的相互作用信息 [13]. 计 算表明,Ag 原子在 Si(220) 表面穴位吸附时最稳定, 因此, 进一步研究了 Ag 原子在 Si(220) 表面穴位吸 附前后不同 Si 表层原子的电荷布局数 ( 表 3). 第 1 层和第 2 层 Si 原子的电荷变化较大, 第 3 层至第 6 层的电荷基本无变化, 表明 Ag 原子主要与 第 1 层和第 2 层 Si 原子相互作用, 同时也说明, 采 用 6 层 Si 原子层晶体来模拟 Ag/Si(220) 体系可以 满足计算要求.Ag 原子 4p 轨道的电子向 Ag 原子 的 5s 轨道和 4d 轨道以及第 1 层 Si 原子的 3p 轨道 均有转移.Ag 原子在 Si(220) 面吸附后,Si(220) 面 得到电子带负电 (-0 39e), 即表面电势降低, 功函 数减小, 从而使 Si 更活泼, 也更易于发生化学反应. 表 3 Ag 原子在 Si(220) 穴位吸附前后的电荷布局数 Table3 ThechargepopulationbeforeandafterAgatomsad sorptiononsi(220)holowsite 原子层 状态 原子 总电荷电荷得失 s/e p/e d/e /e /e 吸附前 Ag 吸附后 Ag 第 1 层 吸附前 Si 吸附后 Si 第 2 层 吸附前 Si 吸附后 Si 第 3 层 吸附前 Si 吸附后 Si 第 4 层 吸附前 Si 吸附后 Si 第 5 层 吸附前 Si 吸附后 Si 第 6 层 吸附前 Si 吸附后 Si Ag/Si(220) 吸附体系的态密度和电荷密度分析 Ag 原子在 Si(220) 面穴位吸附时最稳定, 态密 度可以很好地表示原子之间的相互作用 [14]. 图 2 给出了 Ag 原子 Si(220) 穴位吸附后,Ag/Si(220) 面 吸附体系的态密度, 以及纯 Si(220) 晶面和游离 Ag 原子的态密度. 以费米能级 E F 作为能量零点. 吸 附前 Si(220) 晶面的价带在 -11 5~0eV 能量区

4 52 华南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 第 46 卷 间, 主要是 Si3s 3p 轨道的贡献 ; 导带在 0~4eV 能量区间, 主要是 Si3s 3p 轨道的贡献. 吸附后的价带在 -12~0eV 能量区间, 主要是 Si3s 3p 和 Ag4d 轨道的贡献 ; 导带在 0~3 5eV 能量区间, 主要是 Si3s 3p 和 Ag4s 轨道的贡献, 表明吸附后价带和导带均向左偏移.Ag 原子的 4d 轨道和 Si 原子的 3s 和 3p 轨道发生了较强的相互作用, 且在费米能级附近主要是 Si 原子的 3s 和 3p 轨道电子的贡献. 同时,Ag 吸附到 Si 表面后导致 Ag 的 4p 和 5s 轨道向左移动并且缩短了能量区间, 降低了 Ag 的 4p 和 5s 轨道的能量 ; 其中 4d 轨道的态密度峰变的尖锐, 其对应的态密度值也比游离态的 Ag 要大. 图 3 Ag 原子在 Si(220) 面穴位吸附后的电荷密度图 Figure3 TheelectrondensityofAgatomsafteradsorptionon Si(220)surfacesholowsite 和 Si(220) 晶面的表面吸附. 研究表明 : 吸附的最稳定结构是 Ag 原子的初始位置在 Si(220) 穴位, 此时的吸附能为 eV, 属于强化学吸附,Ag 原子会与第 1 层 Si 原子面中的 Si 原子成键 ;Ag 原子 4p 轨道的电子会向 Ag 原子的 5s 轨道和 4d 轨道以及 Si 原子的 3p 轨道转移 ;Ag 原子与 Si 表面的相互作用主要来源于 Ag 的 4d 轨道和 Si 的 3s 3p 轨道, 同时,Ag 在 Si 表面吸附会使 Ag 的态密度的能量区间变窄, 使 Ag 的 4p 和 5s 轨道左移. 图 2 Ag 原子在 Si(220) 面穴位吸附前后的态密度 Figure2 TheDOSofAgatomsbeforeandafteradsorptionon Si(220)surfacesholowsite Ag 原子在 Si 表面穴位吸附后, 由 Ag 原子与 Si 表面第 1 层和第 2 层原子间的强互作用, 导致表面层各 Si 原子 Ag 原子周围电荷密度发生变化 [15], 结果如图 3 所示, 其中 Si1 Si2 指第 1 层 Si 原子中处在对角位置的 2 个 Si 原子.Ag 原子在 Si(220) 面穴位吸附后,Ag 原子电荷密度面与第 1 层 Si 原子面的 Si 原子的电荷密度面有交叠, 说明 Ag 原子与第 1 层 Si 原子面中的 Si 原子成键. 3 结论 采用第一性原理方法研究了 Ag 原子在 Si(111) 参考文献 : [1] 吴铁峰, 张鹤鸣, 王冠宇, 等. 小尺寸应变 Si 金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流预测模型 [J]. 物理学报,2011,60(2): WuTF,ZhangHM,WangGY,etal.Gatetunneling curentpredictingmodelofstrainedsiforscaledmetal oxidesemiconductorfieldefecttransistor[j].actaphys icasinica,2011,60(2): [2] WangL,GaoW X,HouDL,etal.Structuralandmag neticpropertiesofsisemiconductorco implantedbyfe- andn ions[j].materialschemistryphysics,2012,132 (2/3): [3] SaitohM,ShojiF,OuraK,etal.Initialgrowthproces andsurfacestructureofagonsi(111)studiedbylow energyion ScateringSpectroscopy(ISS)andLEED AES [J].SurfaceScience,1981,112(3): [4] HoriokaK,IwasakiH,MarunoS,etal.AgSi(111)-7

5 第 5 期张苗等 :Ag 在 Si 表面吸附的第一性原理研究 53 7systemsinvestigatedbyangleresolvedelectronenergy losspectroscopy[j].surfacescience,1984,136(1): [5] McKinleyA,WiliamsRH,ParkeAW.Aninvestiga tionofthinsilverfilmsoncleavedsiliconsurfaces[j]. JournalofPhysicsC:SolidStatePhysics,1979(12): [6] BolmontD,ChenP,SebenneCA,etal.Structuraland electronicpropertiesofcleavedsi(111)uponroom tem peratureformationofaninterfacewithag[j].physical ReviewB,1981,24(8): [7] KimuraK,OhshimaK,MannamiM.InitialstageofAg growthonsi(001)studiedbyhigh resolutionrutherford backscateringspectroscopy[j]. PhysicalReview B, 1995(57): [8] YeomHW,MatsudaI,TonoK,etal.Electronicstruc turesofthesi(001)2 3 Agsurface[J].PhysicalRe viewb,1998(57): [9] SegalM D,LindanPLD,ProbertM J,etal.First principles simulation: Ideas, ilustrations and the CASTEPcode[J].JournalofPhysics:CondensedMat ter,2002(14): [10]PerdewJP,ChevaryJA,VoskoSH,etal.Atoms,mol ecules,solids,andsurfaces:applicationsofthegeneral izedgradientapproximationforexchangeandcorelation [J].PhysicalReviewB,1992(46): [11] 张芳英, 朱圣龙, 滕英元. 氧气在 Al(001) 面吸附的第一原理研究 [J]. 科学通报,2004,49(16): ZhangFY,ZhuSL,TengYY.Oxygenadsorptionon Al(001)surfacebyfirst principlescalculation[j].chi nesesciencebuletin,2004,49(16): [12] 蒙大桥, 罗文华, 李赣, 等.Pu(100) 表面吸附 CO 2 的密度泛函研究 [J]. 物理学报,2009,58(12): MengDQ,LuoW H,LiG,etal.Densityfunctional studyofco 2 adsorptiononpu(100)surface[j].acta PhysicaSinica,2009,58(12): [13] 陈玉红, 杜瑞, 张致龙, 等.H 2 分子在 Li 3 N(110) 表面吸附的第一性原理研究 [J]. 物理学报,2011,60 (8): ChengYH,DuR,ZhangZL,etal.Firstprinciples studyofh 2 moleculeadsorptiononli 3 N(110)surfaces [J].ActaPhysicaSinica,2011,60(8): [14] 房彩虹, 尚家香, 刘增辉. 氧在 Nb(110) 表面吸附的第一性原理研究 [J]. 物理学报,2012,61(4): FangCH,ShangJX,LiuZH.Oxygenadsorptionon Nb(110)surfacebyfirst principlescalculation[j].acta PhysicaSinica,2012,61(4): [15] 吴江滨, 钱耀, 郭小杰, 等. 碳纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究 [J]. 物理学报, 2012,61(7): WuJB,QianY,GuoXJ,etal.Firstprinciplesstudy ontheli storageperformanceofsilicon clustersand graphemecompositestructure[j].actaphysicasinica, 2012,61(7): 中文责编 : 谭春林英文责编 : 肖菁

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