Атомная и электронная структура реконструированной поверхности Si(331) / Жачук Р.А., Кутиньо Ж

Высокоиндексные поверхности кремния перспективны для использования в спинтронике, а такжешироко используются в качестве подложек для выращивания упорядоченно расположенныхнаноструктур. В этом цикле работ [1-4] с помощью расчетов на основе теории функционала плотностибыла исследована атомная и электронная структура поверхности Si(331), исследованы её свойства ипроведено сравнение с имеющимися экспериментальными данными. Хотя экспериментально поверхностьSi(331) была известна более 25 лет, исследована многими методами и было предложено 5 моделей дляобъяснения её атомной структуры, реальная структура Si(331) все это время оставалась неизвестной из-заеё большой сложности, сравнимой со структурой поверхности Si(111)-7×7.Нами была разработана оригинальная модельреконструированной поверхности Si(331). Модель содержитидентичные структурные блоки, упорядоченные взигзагообразные цепочки, которые отделены друг от другадимерами, динамически изгибающимися при комнатнойтемпературе. Структурный блок состоит из пентамера,атомы которого удерживает вместе межузельный атом, иреконструированной области (затененная часть). Пентамеры вреконструированной области упорядочены подобно пентамерамв структуре фуллерена C20.Разработанная модель поверхности Si(331) приводит кочень низкой энергии поверхности, сравнимой с энергиейповерхности Si(111)-7×7, что свидетельствует о высокойстабильности поверхности. Изображения сканирующейтуннельной микроскопии (СТМ), рассчитанные на основепредложенной модели, полностью согласуются с экспериментальными СТМ изображениями этойповерхности, полученными при обеих полярностях приложенного напряжения. Показано, что различие вразмерах пентамера в атомной модели и полученных с помощью СТМ вызваны наклоном оборванныхсвязей к нормали поверхности. Такое расхождение в размерах реальных атомных структур и ихизображений, полученных с помощью СТМ, необходимо учитывать для корректной интерпретацииэкспериментальных данных, полученных на любых поверхностях с направленными оборванными связями.Расчет электронной структуры поверхности Si(331) показал, что в объемной запрещенной зоне Siимеются два широких пика, один вблизи потолка валентной зоны, а другой вблизи дна зоныпроводимости в согласии с данными сканирующей туннельной спектроскопии и фотоэлектроннойспектроскопии. Найдено, что дырки на поверхности Si(331) преимущественно локализуются напентамерах с межузельными атомами, а электроны на димерах и атомах реконструированной области,имеющих одну оборванную связь в sp3-подобной конфигурации. Величина расчетной запрещенной зоныповерхности составляет 0.58 эВ и полностью согласуется с экспериментальными данными.