Si(001) 표면의 원자구조와 C 원자의 침투현상

Abstract

본 논문에서는 Si(001) 표면과 표면에 자발적으로 생성되는 점결함 및 계단 구조, 그리고 C 원자의 침투에 의햔 Si(001) 기판의 변형에 대한 주사터널링현미경 (STM) 실험과 제일원리계산을 이용한 연구 결과들을 보고한다. Si(001) 표면에서는 표면원자들이 dimer를 형성하는 재구조가 일어나는데, 이때 가장 안정한 재구조는 c(4×2) 주기를 가진다. 표면에 존재하는 점결함의 대부분은 dimer vacancy 혹은 dimer vacancy들의 복합체이며, Ni 혹은 C와 같은 외부 원소의 침투에 의해 이러한 점결함들의 양이 증가한다. Si(001)표면에 항상 존재하는 계단 구조와 이들 계단 구조가 꺽이며 나타나는 kink에서의 원자 구조를 결정할 수 있는 현상론적인 규칙들을 기술하였으며, 이 규칙들을 이용하면 대부분의 원자 구조를 설명 및 예측할 수 있다. 한편, C 혼입에 의해 Si(001) 표면은 다양한 변형을 일으키는 데, 침투한 C 원자가 표면 밑 네 번째 층에 위치하고 바로 위에 Si dimer vacancy를 생성시킨다. 혼입된 C 양이 0.05ML보다 적을 때는 네째 층에 혼입된 C 원자들이 1차원으로 정렬하여 2×n 구조를, 그 이상일 때는 2차원으로 정렬하여 c(4×4) 구조를 형성한다. 이와 같은 연구결과들은 고해상도 STM 실험과 제일원리계산을 결합하여 혼입되는 C 원자의 양을 정량적으로 결정할 수 있는 기술를 개발하였기에 가능하였다. 이 개발된 기술은 Si(001) 표면과 B, P, N, O 등의 이종원소들 사이의 상호작용을 규명하는 데 유용하게 사용될 것이다.