若干与吸附相关的表面问题的第一原理研究

论文摘要

本文使用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,详细研究了半导体表面异质外延生长纳米线结构、Pb薄膜的量子尺寸效应对其表面吸附的影响以及Pb的adatom在Pb(111)表面氧化过程中起的作用这三个与吸附相关的表面问题。首先,本文研究了V族元素As、Sb和Bi在1/2吸附率时,在Si(100)表面的吸附结构,并探讨了利用它们进一步生长Ge纳米线的可能性。我们发现在1/2吸附率时,As的dimer会倾向于形成线型图案,不同于Sb(Bi)的dimer形成的均匀分布的方形图案。对于As的dimer形成的线型图案,我们发现不同的As的dimer列之间的Si表面由于应变的影响,可以用来继续生长Ge的双原子链,而且最后的复合结构的价带顶完全被Ge的双原子链的电子态所决定。这揭示了低吸附率的表面吸附的预处理对于外延生长晶格失配材料的纳米结构的可行性。其次,本文系统研究了氧分子在Pb(111)薄膜上的吸附情况,以及吸附能被薄膜的量子尺寸效应调制的现象。我们发现在不同厚度的Pb薄膜上,氧分子都是吸附在表面的Hcp空位位置上,根据氧分子取向的不同存在两个近似简并的最稳吸附态。通过对吸附结构的电子结构的详细分析,我们发现氧分子在Pb(111)薄膜表面的吸附过程是一种弱的化学吸附过程,吸附能只有几百个meV的量级。通过进一步的研究,我们发现氧分子在不同厚度的Pb(111)薄膜上吸附的吸附能随着薄膜厚度呈现一种奇偶振荡的特性,反映了薄膜的量子尺寸效应对于薄膜表面吸附的调制作用。我们揭示了这种奇偶振荡的主要来源是吸附的氧分子和Pb(111)薄膜之间的静电相互作用。最后,本文研究了Pb(111)表面氧化过程中表面的Pb的adatom起的重要作用。我们发现,氧分子在Pb的adatom附近的吸附是直接的分解吸附,而且吸附能比在干净的Pb表面的吸附能大了1.48 eV/原子。分解以后的氧原子和adatom以及表面的Pb原子都有成键作用。而对于一个在Pb表面已经吸附的氧分子,一个迁移的Pb的adatom也可以与之发生相互作用,并增大其吸附能。这些研究表明Pb表面的Pb的adatom对于Pb表面的氧化有很大的帮助作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面结构
• 1.2.1 表面与固体的不同
• 1.2.2 二维格子和倒格子
• 1.2.3 表面结构命名法
• 1.2.4 表面的结构特点
• 1.3 半导体表面外延生长纳米结构
• 1.3.1 外延生长制备纳米材料
• 1.3.2 Si基纳米材料
• 1.3.3 半导体表面态
• 1.4 金属表面的氧化
• 1.4.1 金属表面氧化的一般过程
• 1.4.2 金属表面分子的吸附
• 1.4.3 金属表面缺陷对分子吸附的影响
• 1.5 金属薄膜的量子尺寸效应
• 1.5.1 量子尺寸效应的来由
• 1.5.2 量子尺寸效应对于薄膜物理性质的影响
• 1.5.3 量子尺寸效应对于薄膜化学性质的影响
• 1.6 本文内容和安排
• 第2章 第一原理计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 量子力学基础
• 2.2.1 绝热近似
• 2.2.2 密度泛函理论
• 2.3 赝势方法
• 2.4 平面波方法
• 2.5 交换关联泛函
• 2.6 使用的方法
• 第3章 Si（001）表面的异质外延：1/2吸附率的表面活性剂的作用
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法以及模型
• 3.3 V族元素在Si表面低吸附率情况下的吸附结构
• 3.4 继续生长Ge的纳米结构
• 3.5 本章小结
• 2分子的吸附行为'>第4章 Pb（111）薄膜的量子尺寸效应以及上面O₂分子的吸附行为
• 4.1 引言
• 4.2 模型以及计算方法
• 4.3 氧分子在Pb（111）表面的吸附行为
• 4.4 量子尺寸效应对氧分子的吸附的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 对Pb（111）表面的氧化过程的一些研究
• 5.1 引言
• 5.2 模型以及计算方法
• 5.3 Pb单原子对氧吸附的影响
• 5.3.1 氧分子在Pb（111）表面一个Pb单原子附近的吸附行为
• 5.3.2 在Pb（111）表面吸附的氧分子与一个Pb单原子的相互作用
• 5.4 吸附能和电子结构的探讨
• 5.5 Pb（111）表面形成的稳定的Pb的氧化物团簇
• 5.6 结论
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果