Ткачук О. І. Квантовохімічне моделювання поверхневих структур Ge на грані Si(001)

Методом теорії функціоналу густини (B3LYP, 6-31G**) виконані квантовохімічні розрахунки рівноважної просторової будови та електронної структури АК атома, двох атомів Ge та утвореної двоатомної молекули Ge2 на кластері Si96H84, який моделює букльовану грань Si(001), а також на кластері Si115H80+Si18О30H16, що відтворює ізолюючий шар на поверхні кристалічного кремнію. Показано, що адсорбція одного атома Ge відбувається на down-атомі Si «букльованих» димерів >Si=Si< поверхні з енергетичним ефектом 7,8 еВ. Така досить значна величина енергії адсорбції свідчить про координаційну ненасиченість down-атомів Si. Адсорбція другого атома Германію в межах застосованого кластера також є екзотермічний процес з енергетичним ефектом 1,5 еВ щодо кластера Si96H84•Ge з подальшим формуванням аддимера >Ge=Ge<. Атоми Ge аддимера >Ge=Ge< здатні до об’ємної дифузії з утворенням як змішаних аддимерів >Ge=Si<, так і чистих аддимерів >Si=Si<. Хімічне оточення атомів Германію в таких АК визначалось по зсуву 3d5/2-компоненти лінії Ge3d відносно її положення в комплексі Si96H84•Ge2 з аддимером >Ge=Ge<. Узагальнення результатів трактування зсувів положення лінії 3d5/2 дано в рамках уявлень про «електростатичний потенціал», згідно якого зміна енергії зв’язку остовних електронів розглядається як функція ефективного заряду самого атома і ефективних зарядів сусідніх атомів. Згаданим методом з використанням кластера Si28H28, який містить п’ять букльованих поверхневих димерів >Si=Si<, розглянуто трансформацію аддимерів >Ge=Ge<, >Ge=Si< та >Si=Si< на релаксованій грані Si(001)(4×2). Встановлена енергетика коливань згаданих димерів у залежності від кута буклювання та розраховані величини відповідних бар’єрів активації. Для аддимера >Ge=Si< отримані величини активаційних бар’єрів зміни орієнтації (А→В) у межах однієї комірки поверхні Si(001)(4×2), а також дифузії між двома сусідніми комірками підкладинки. Розгляд трьох видів переміщень аддимерів >Ge=Ge<, >Si=Si< та >Ge=Si<, зокрема коливання їх як цілого, обертання та дифузії над рядом букльованих димерів >Si=Si< підкладинки свідчить, що всі вони відбуваються з невеликими енергіями активації (< 1 еВ), чисельні значення яких задовільно узгоджуються з результатами СТМ-експериментів, наявними в літературі. Виконані розрахунки рівноважної структури АК одного, двох атомів Германію та утвореної молекули Ge2 на поверхні плівки SiO2 на грані Si(001), а також їх рентгенофотоелектронних спектрів дозволяють визначати причини локалізації заряду на адсорбованих атомах Ge та на двоатомній молекулі Ge2.