Influence of Si surface passivation on growth and ordering of nanostructures

Abstract

Kremík je v súčasnosti najpoužívanejší polovodičový materiál, ktorého aplikácie siahajú od solárnych článkov a senzorov po elektronické zariadenia. Funkcionalizácia povrchu pomocou molekulárnych vrstiev môže vylepšiť vlastnosti kremíkového povrchu a môže zmenšiť veľkosť funkčných prvkov elektronických zariadení. Avšak, nájdenie spôsobu akým molekuly naviazať na konkrétne miesta na povrchu a nájdenie spôsobu akým molekuly usporiadať na kremíkových povrchoch nie je ľahké kvôli vysokej reaktivite kremíku. V tejto práci používame skenovací tunelový mikroskop, ab-initio výpočty a kinetické Monte Carlo simulácie a študujeme adsorpciu organických molekúl na čistom a táliom pasivovanom povrchu Si(111). Ukazujeme, že polarita molekúl má veľký dopad na spôsob naviazania molekúl na čistý povrch. Naše pozorovania dokazujú, že v porovnaní s čistým povrchom sú molekuly a jedno-atomárne adsorbáty na pasivovanom povrchu výrazne mobilnejšie. Zvýšená mobilita molekúl spôsobuje vytvorenie 2D plynu na povrchu a umožňuje tvorbu samousporiadaných molekulárnych štruktúr. V práci navrhujeme novú metódu pre priame pozorovanie 2D molekulárneho plynu a ukazujeme, že pomocou nehomogénneho elektrického poľa je možné kontrolovať fázu molekúl na povrchu, v prípade že tieto molekuly na seba viažu dipólový moment. 1

Silicon is currently the most widely used semiconductor material with applications ranging from solar cells and sensors to electronic devices. Surface functionalization of silicon with molecular monolayers can be used to tune properties of the material toward a desired application. However, site-specific adsorption of molecules or molecular patterning on silicon surfaces is a difficult task due to the high reactivity of silicon. In this work, we use scanning tunneling microscopy, ab-initio calculations and kinetic Monte Carlo simulations to study adsorption of organic molecules on a bare and thallium-passivated Si(111) surface. We show that the polarity of molecules has a large impact on bonding of the molecules with the bare surface. We demonstrate that, in comparison with the bare surface, molecules or single-atom adsorbates deposited on the Tl-passivated surface have significantly higher mobility. The increased mobility induces formation of 2D gases on the surface and enables formation of self-assembled molecular structures. We propose a novel method to directly visualize the 2D surface gases and we show that a phase of surface gases containing molecule-bound dipoles can be controlled by a non-homogeneous electric field. 1