Анотація до роботи:

Ананьїна О.Ю. Квантово-хімічне моделювання процесів взаємодії водню, силану, атомів та іонів фосфору і бору з упорядкованими та дефектними поверхнями Si(100) і Ge(100). – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків. Ужгородський національний університет, Ужгород, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню геометричних, енергетичних та електронних характеристик чистих поверхонь Si(100) і Ge(100), поверхонь з вакансійними дефектами та дефектами у вигляді адсорбованих атомів і іонів (Н, Р, Р^-, Р⁺, В, В⁺). В роботі в рамках напівемпіричного методу MNDO проведено моделювання процесів адсорбції, десорбції, поверхневої міграції частинок адсорбату на поверхнях Si(100) і Ge(100).

В роботі вирішується проблема врахування впливу ступеня покриття поверхонь воднем на механізм десорбції із моно- та дигідридних станів; встановлюється вплив вакансійних дефектів на адсорбційні властивості поверхонь. Розраховані енергетичні характеристики процесів взаємодії силану з поверхнями Si(100) і Н/Si(100), встановлено механізми початкових стадій росту кремнієвих плівок. Розраховані хемосорбційні стани іонів та атомів фосфору і бору, що адсорбуються на поверхні Si(100) і Ge(100). Продемонстрована різниця в геометричних і електронних характеристиках цих станів.

Дослідження елементарних актів взаємодії в системах „поверхня напівпровідника - адсорбат” дозволили встановити домінуючі механізми процесів при різних ступенях покриття поверхонь воднем і виявити роль точкових дефектів (вакансійного дефекту) у цих процесах. З численних результатів комплексних досліджень можна зробити такі висновки.

1. Використання методу MNDO дозволяє відтворювати на кластерах Si₆₃(Ge₆₃) геометричні та електронні характеристики чистих поверхонь Si(100)-21 і Ge(100)-21, які добре узгоджуються з існуючими експериментальними даними і розрахунками, проведеними іншими методами.

2. Вперше встановлено, що на поверхні Ge(100)-21 можливе існування двох станів вакансійного дефекту: основного і квазірівноважного, повна енергія системи в якому на 0,37 еВ більша, ніж в основному. Адсорбційними центрами на дефектній поверхні є атоми другого шару в області вакансії і поверхневий атом дефектного димера. Доведено вплив геометричних характеристик конфігурації дефекту на адсорбційні властивості поверхонь і на механізми взаємодії з воднем.

3. Встановлено, що ступінь покриття поверхні Si(100) насиченими моногідридними центрами впливає на механізм десорбції водню і на значення енергій активації десорбції (для малих покриттів Е_d=2,1 еВ, для великих - Е_d=2,4 еВ). Для поверхонь Ge(100) ступінь покриття моногідридними станами не впливає на механізм десорбції водню і на значення енергії активації його десорбції (Е_d=2,9 еВ).

Десорбція водню з дигідридних центрів на поверхнях Si(100) і Ge(100) відбувається за різними механізмами:

Механізм десорбції водню з дигідридних центрів не залежить від ступеня покриття поверхні воднем. Значення енергій активації десорбції водню залежать від ступеня покриття поверхонь насиченими дигідридними центрами і складають для поверхні Si(100) 1,4 еВ для малих і 1,5 еВ для великих покриттів, а для поверхні Ge(100) - 2,0 еВ для малих і 2,5 еВ для великих покриттів.

4. Причиною труднощів в утворенні дигідридних станів на упорядкованій поверхні Ge(100) є більша ймовірність десорбції водню з поверхні при зв’язуванні атома Н, адсорбованого на поверхні, з атомом Н газової фази, ніж руйнування димерного зв’язку і утворення дигідриду: Е_а=1,8 еВ, Е_d=0,6 еВ. Утворення дефекту на поверхні Ge(100) призводить до появи потенційного дигідридного центра адсорбції на відміну від чистої упорядкованої поверхні Ge(100).

5. Ступінь покриття поверхні Si(100) воднем впливає на механізм адсорбції силану SiН₄: адсорбція силану на чистій впорядкованій поверхні відбувається без руйнування поверхневих димерів Si-Si; адсорбція силану на поверхні Н/Si(100) може відбуватися як без руйнування поверхневих димерів Si-Si, так і, за певних умов, з руйнуванням поверхневих димерів Si-Si.

6. Результатом взаємодії атомів фосфору та бору з поверхнями Si(100)-(21) і Ge(100)-(21) є утворення гетеродимерів Si-P, Si-B, Ge-P, Ge-B і димерних структур Р-Р, B-B різного типу. Утворення гетеродимерів відбувається в результаті хемосорбції фосфору або бору на область вакансійного дефекту на поверхні.

7. Адсорбовані іони В⁺ впроваджуються в поверхні Si(100) і Ge(100), утворюючи гетеродимери типу Si-B або Ge-В, що значно знижує повну енергію поверхні. Енергія активації адсорбції з утворенням гетеродимерів на поверхнях Si(100) і Ge(100) більша (1,4 – 1,5 еВ) за енергію активації міграції адсорбованих іонів бору по поверхні (0,4 – 1,2 еВ). В результаті міграції адсорбовані іони бору можуть утворювати димери В-В, які є відносно стабільними і знижують адсорбційну активність поверхні.

8. Адсорбція негативних і позитивних іонів фосфору не призводить до утворення димерів Р-Р. Іони заміщують атоми кремнію чи германія, що у випадку адсорбції іонів Р⁺, призводить до утворення гетеродимерів Si-P, Ge-P. У випадку адсорбції іонів Р^-, фосфор заміщує атоми першого шару поверхні без утворення гетеродимерів.

Публікації автора:

1. Ананьїна О.Ю., Яновський О.С., Котлярoв А.П. Моделювання взаємодії атомарного водню з вакансійним дефектом на поверхні Ge(100) // Фізика і хімія твердого тіла. – 2003. - №4. - C. 638-642.

2. Астаф’єв П., Ананьїна О. Взаємодія фосфору з атомарно-чистими поверхнями Ge(100) // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2003. - №14. - C.188-194.

3. Ананьина О.Ю., Котляров А.П., Бабко С.В., Яновский А.С. Моделирование вакансионного дефекта на поверхности Ge(100) // Поверхность. - 2004. - №2.- C.10-16.

4. Ананьина О.Ю., Яновский А.С. Хемосорбция фосфора на чистых упорядоченных и дефектных поверхностях Si(100) // Поверхность. - 2004. №5. - C.65-68.

5. Anan’yina O., Yanovs’ky O. Simulation of phosphorus ions interaction with Ge(100)-21 surfaces // Vacuum. - 2005. - V. 78/2, N 4. - P. 509-513.

6. Ананьина О.Ю., Котляров А.П., Яновский А.С. Моделирование взаимодействия водорода с упорядоченными поверхностями Ge(100) // Труды Харьковской научной ассамблеи ICVTE-6. - Харьков (Украина). - 2003. - C. 8-10.

7. Яновский А.С., Ананьина О.Ю. Моделирование адсорбционных свойств модифицированной поверхности Ge(100) // Труды 16-той Международной конференции ВИП-2003. - Звенигород (Россия). - 2003.- Т2. - C. 244-247.

8. Ананьїна О.Ю, Бабко С.В., Котляров А.П. Вивчення адсорбції водню на упорядковані поверхні Ge(100)-(24) // Праці Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2003. – Львів (Україна). - 2003. - С. 128.

9. Anan’yina O., Yanovs’ky O. Boron ions interaction with Si(100)-24 surfaces // Proc. V-th International Conference ION 2004. - Kazimierz Dolny (Poland). – 2004. - P. 158.

10. Anan’yina O., Yanovs’ky O. Simulation of SiH₄ adsorption on Si(100)-(21) and H/Si(100) surfaces // Proc. 3^rd International Conference On Hot Wire CVD Process. - Utrecht (the Netherlands). - 2004. - P.127-130.

11. Anan’yina О.Y., Yanovs’ky O.S. Quantum-chemical modeling of boron interaction with Ge(100)-(21) surfaces // Proc. 4-th Inter. Young Scientists Conf. On Appied Phis –Кiev (Ukraine). - 2004. - P. 155-156.

12. Яновский А.С., Ананьина О.Ю. Взаимодействие ионов бора В⁺ с поверхностью Si(100) // Труды 17-той Международной конференции ВИП-2005. - Звенигород (Россия). -2005.- Т2.- C. 248-250.

13. Ananyina O., Yanovs’ky O., Babko S., Simulation of Hydrogen Interaction with Si Nanoclusters // Proceedings of H-Workshop 2005 “Hydrogen Storage with Novel Nanomaterials”. - Bad Honnef (Germany). – 2005. - P. 54.