氯化氫在矽表面上單一活性鍵的選擇性吸附

Abstract

當一個雙原子氣體分子撞擊至表面時，可能發生散射、分子吸附、裂解式吸附、或是選擇性原子吸附，決定這些反應背後的機制大部份尚未釐清。Si(100)是常使用的半導體基板，其表面上有許多活性鍵可與分子發生化學反應，HCl分子是鍵結能很強的常見離子分子(鍵結能為4.3 eV)，本論文的研究的目標是以最先進的技術與方法了解HCl分子在矽表面上究竟是發生那些反應？為了簡化過去研究中所遇到的複雜數據解釋問題，我們使用單一層氫原子光阻(atomic hydrogen resist)，將分子與表面發生化學反應的範圍侷限在單一活性鍵。掃描穿隧顯微鏡(STM)可拍攝到原子解析度的表面影像，所以在曝HCl氣體前掃描一張矽表面的影像，曝HCl氣體時探針離開掃描區域，之後再掃描一張影像，即可由前後的影像變化直接觀察到單一活性鍵和HCl分子的吸附情形。 實驗結果顯示HCl分子中一個原子跟單一活性鍵發生選擇性吸附反應，也就是吸附H原子和Cl原子的比例約為3：1，另一個游離原子一部份會直接脫附回到真空中，一部份會留在表面上並發生反應。比如在吸附H原子的情形，有35%的游離Cl原子會取代鄰近原子光阻的氫原子，而且最易取代的位置是發生在跟單一活性鍵同一個雙原子單體(dimer)的位置。此實驗研究提供了雙原子分子在表面上發生選擇性吸附的直接證據，這個結果也顯示，在HCl分子吸附過程中應該會形成一個暫態(precursor state)，而表面聲子提供了裂解HCl分子鍵結所須的能量。

The abstractive adsorption of an HCl molecule on a single dangling bond has been investigated by scanning tunneling microscopy (STM). Each single dangling bond is an isolated reaction site and is produced on hydrogen-passivated Si(100) surfaces by controlling the sample temperature and annealing time. From the STM images, we conclude that a HCl molecule can undergo a selective abstraction reaction with a Si dangling bond and that the reaction prefers the adsorption of the H atom over the Cl atom. The ratio of H-abstraction to Cl-abstraction is 3:1. Experimental evidence also indicates that the adsorption process involves a precursor state, or an adsorption complex. Upon adsorption of a phonon, the adsorption complex transforms to a chemisorbed adsorption of one atom and let free the complementary atom on the surface. If H is first abstracted, the complementary Cl atom can either replace an nearby H atom with ~35% probability or is rejected back to vacuum. This research reveals a direct experimental visualization of the abstractive chemisorptions.