Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3941
Antons, Armin
First-principles investigation of initial stages of surfactant mediated growth on the Si(111) substrate
204 S., 2002
Die atomare und elektronische Struktur einzelner Adatome, Adatorncluster und
Stufenkanten auf reinen oder Surfactant bedeckten Si(lll)-Oberflächen wird mit
ab-initio Methoden untersucht. Alle Berechnungen werden mit dem
selbstentwickelten Programmpacket EStCoMPP, welches auf der Dichtefunktional-Theory
in Kombination mit Pseudopotentialen beruht, durchgeführt.
Die Pfade und Energiebarrieren für die Diffusion einzelner Si-Adatome auf der
reinen (3 x 3)-rekonstruierten Si(lll)-Oberfläche, welche die meisten
Eigenschaften der (7 x 7)-Rekonstruktion aufweist, werden berechnet. In den stabilsten
Positionen befindet sich das Adatorn auf einer Brückenposition zwischen dem
Adatorn und einem Atom der zweiten Lage. Die Barriere für die Diffusion von
einer Hälfte der Einheitszelle mit Stapelfehler zur anderen Hälfte ohne
Stapelfehler (oder zurück) beträgt 0.44 eV. Der Sattelpunkt befindet sich auf der Grenze
zwischen beiden Hälften, nahe dem Dimer. Die Struktur kleiner Si-Cluster wird
ebenfalls untersucht. Die Bildung dieser Cluster erfolgt bevorzugt innerhalb der
beiden Hälften.
Auf Surfactant bedeckten Si(lll)-Oberflächen wird die Struktur und
Entwicklung kleiner Cluster, bis zu einer Größe von 4 Atomen, berechnet. Die
experimentell bestimmten Charakteristika des Anfangstadiums des homoepitaktischen
Wachstums können damit erklärt werden. Nach unseren Berechnungen beginnt
bei As bedecktem Si ab einer Clustergröße von 4 Atomen ein Doppellagenwachs-
tum, während bei Sb bedecktem Si keine Doppellagenwachstum auftritt.
Bei As-bedecktem Si wird die atomare Struktur der beiden dichtgepackten
Stufenkanten berechnet. Die Ergebnisse zeigen, daß die exponierten Si-Atome
an der Stufenkante durch As-Atome ersetzt werden. Dies führt natürlicherweise
zu einer dreifach-koordinierten Position der As-Atome an der (112) Stufenkante
und zu einer Dimerisierung der As-Atome an der (112) Stufenkante. Um die
berechneten Strukturen mit dem Experiment vergleichen zu können werden STM-
Bilder simuliert. Die Messergebnisse an der Stufenkanten können mit Hilfe der
berechneten elektronischen lokalen Dichte interpretiert werden. Die scheinbare
Auswärtsrelaxation der As-Atome an den Stufenkanten kann durch die erhöhte
elektronische Dichte der Zustände in den p-Kanälen dieser Atome erklärt werden.
Die Stabilität verschiedener Oberflächenrekonstruktionen gestresster,
Sb-bedeckter Ge(lll)-Oberflächen wird untersucht. Bei hoher, kompressiver Spannung
erweist sich die (√3 x √3)-Rekonstruktion als stabil. Über einen weiten Bereich
von Gitterkonstanten (aSi-aGe) ist die (2 x l)-Rekonstruktion favorisiert, und
für dilatierte Oberflächen ist die (1 x l)-Rekonstruktion bevorzugt. Die
experimentell gefundenen Strukturen, die während des Wachstum dünner Ge-Filme auf
Si(111):Sb auftreten, können damit erklärt werden.
The atomic and electronic structure of single adatoms, adatom-clusters and steps
on clean or surfactant covered Si(lll) surfaces are studied with ab-initio
methods. All calculations are performed using the self-developed program package
EStCoMPP which is based on density functional theory combined with
pseudopotentials.
The paths and energy barriers for diffusion of single Si ad-atoms are studied
on the clean (3 x 3)-reconstructed Si(lll), which shows most of the features of
the (7 x 7)-reconstruction. At the most stable position the extra ad-atom sits at
a bridge position between the ad-atom and one atom of the second layer. The
barrier for diffusion from the faulted to the unfaulted unit half or vice versa is 0.44
eV. The saddle-point is located on the boundary between the unit-halfs, close to
the dimer. Also the structure of small Si-clusters on this surface is investigated,
showing a preferred cluster formation in either one of the unit halfs.
The structure and development of small Si-clusters is calculated on surfactant
covered Si(lll). The investigated cluster sizes range from single ad-atoms to 4
atoms. The results explain the experimentally determined features of the initial
stages of homoepitaxial growth. We find that doublelayer growth starts at a
cluster size of 4 on As covered Si(lll) while no doublelayer growth occurs when
Sb is used as surfactant.
The atomic structures of the two closed-packed step-edges on As terminated
Si(lll) are calculated. The results show that the exposed Si atoms at the step-
edges are replaced by As. Thus, the step-edges are fully terminated by surfactant-
atoms like the surface. While at the (112) step-edge the As atoms are in a
naturally threefold coordinated position, the As atoms form dimers at the (112)
step-edge. STM-images are simulated to compare the calculated structures with
experiments. We can explain the measured step-characteristics with the
calculated electronic local density of states. The key-features of the simulated images
are in agreement with the experimental findings. The apparent outward
relaxation of the upper terrace As atoms at the step-edge can be explained by the
higher electronic density of states in the p-channel of these atoms.
The stability of different surface reconstructions of Sb-covered strained Ge(lll)
is investigated as a function of the lateral lattice constant. We find for high
compressive strain the (√3 x √3) reconstruction to be stable. Over a large region of
lattice constants (aSi-aGe) we find the (2 x 1) reconstruction to be preferred, and
for dilated surfaces the (1 x 1) reconstruction is favored. This explains the
experimentally determined structures of Sb-covered Ge-films grown on Si(lll):Sb,
and even the peculiar surface structure with (1 x 1) surface in a (6√3 x 6√3)
superstructure of overrelaxed islands, which is found for 3 Ge layers.
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