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小分子在Si（111）-7×7面上吸附解离机理的理论研究

作　者: 彭新宇
导　师: 王学业
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: H2O 吡咯 NH3 Si(111)-7×7表面密度泛函理论(DFT)
分类号: O641.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

作为微电子技术领域的基础与核心,半导体材料的发展倍受关注,而其中半导体表面的化学修饰因其巨大的潜在应用价值成为一个非常热门的研究领域。本文采用簇模型方法和密度泛函理论计算方法,从理论角度详细的探讨了小分子在Si(111)-7×7面的反应机理和选择性问题。主要的研究体系有H2O在Si(111)-7×7面上吸附解离,吡咯在Si(111)-7×7面上吸附解离,NH3在Si(111)-7×7面上吸附解离。首先采用密度泛函数(DFT),对水分子在Si(111)-7×7面上的完全吸附解离机理进行了理论探讨,在B3LYP水平上对四个水分子在吸附原子(Sia)和剩余原子(Sir)位上吸附解离反应途径进行了计算。计算结果表明:在吸附的初始阶段,第一个水分子断裂O-H键解离出的OH吸附在Si(111)-7×7面的吸附原子位(Sia)上优于吸附在剩余原子位上。四个水分子依次在吸附原子上解离,被OH饱和的吸附原子的背键容易插入氧原子,形成SiO4四面体结构单元,其中一个氧原子在顶端,另外三个氧原子插入表面硅的背键中。其次采用簇模型方法和杂化密度泛函(B3LYP)计算方法,对吡咯在重构的Si(111)-7×7面上的化学吸附解离机理进行了研究。对于吡咯在吸附原子-剩余原子对上的吸附,我们探讨了三种吸附的机理,分别是N-H分离吸附,CC[4+2]环加成吸附,CN[2+2]环加成吸附。研究结果表明:C4H4NH解离成C4H4N和H,可以发生在吸附原子或剩余原子上,分别形成NadsPa和NadsPr两种产物。计算结果表明:Cα吸附过程是无能垒的,优于N吸附过程。通过对比分析这三种反应机理得出:在Si(111)-7×7表面的吸附原子-剩余原子对上发生N-H分离吸附最有利,而发生CN[2+2]环加成吸附最难。最后采用密度泛函理论方法在B3LYP水平上,对NH3在Si(111)-7×7面上完全解离机理进行了理论研究。计算结果表明,NH3进攻Si(111)-7×7面时,初始N-H键解离形成共吸附的氨基(NH2)易发生在Si(111)-7×7面的剩余原子上,随着温度升高,氨基容易插入到Sia(r)-Si背键,继而一个氢原子发生迁移。计算发现氨基插入到Si(111)-7×7面上的Sia-Si背键比插入到Sir-Si背键更有利。与氨基类似,亚氨基插入到Sia(r)-Si背键和氢原子迁移过程容易发生,但亚氨基插入到Sir-Si背键更有利。在高温下,氢原子脱附,氢气释放,能形成表面Si=N单元或次表面Si3N单元。通过量子化学的理论和方法研究了小分子在Si(111)-7×7面上的吸附解离机理,从微观理论上解释了硅表面化学修饰的机理,为实验提供了理论指导。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1 研究背景及应用  9-10
  1.2 半导体表面化学理论研究的意义  10-11
  1.3 单晶 Si(111)-7×7 表面  11-14
    1.3.1 单晶 Si(111)-7×7 表面的几何结构  12-13
    1.3.2 单晶 Si(111)-7×7 表面的电子结构  13-14
  1.4 小分子修饰 Si(111)-7×7 面的研究进展  14-16
    1.4.1 亲电亲核表面吸附反应  15
    1.4.2 非芳香有机分子的环化反应  15-16
    1.4.3 芳香化合物吸附反应  16
  1.5 本文研究的内容和意义  16-18
第二章量子化学方法  18-35
  2.1 量子化学的发展  18-20
  2.2 计算方法简介  20-29
    2.2.1 从头计算(ab initio)方法  20-24
    2.2.2 半经验方法  24
    2.2.3 密度泛函(DFT)及杂化密度泛函 83LYP 理论  24-29
  2.3 基组的选择  29-31
  2.4 振动频率的计算  31-32
  2.5 化学反应过渡态的计算方法  32-34
  2.6 计算步骤  34-35
第三章 H_2O 在Si(111)-7×7 面上吸附解离机理的理论研究  35-45
  3.1 引言  35
  3.2 计算模型和方法  35-36
  3.3 结果和讨论  36-44
    3.3.1 第一个水分子在吸附原子和剩余原子位上的解离  36-39
    3.3.2 第二个水分子在吸附原子位上的解离  39-42
    3.3.3 第三个水分子在吸附原子位上的解离  42-43
    3.3.4 第四个水分子在吸附原子位上的解离  43-44
  3.4 小结  44-45
第四章吡咯在Si(111)-7×7 面上吸附解离机理的理论研究  45-53
  4.1 引言  45
  4.2 计算模型和方法  45-46
  4.3 结果和讨论  46-51
    4.3.1 N-H 分离吸附反应  46-49
    4.3.2 CC[4+2]环加成吸附  49-50
    4.3.3 CN[2+2]环加成吸附  50-51
  4.4 小结  51-53
第五章NH3 在Si(111)-7×7 面上吸附解离机理的理论研究  53-60
  5.1 引言  53
  5.2 计算模型和方法  53-54
  5.3 结果和讨论  54-59
    5.3.1 NH_3 在吸附原子-剩余原子对上的初级解离过程  54-55
    5.3.2 NH_3 在剩余原子位上完全解离过程  55-57
    5.3.3 NH_3 在吸附原子位上完全解离过程  57-59
  5.4 小结  59-60
结论与展望  60-62
参考文献  62-71
致谢  71-72
附录A (攻读学位期间发表论文目录)  72

小分子在Si（111）-7×7面上吸附解离机理的理论研究

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