Abstract
本論文主要是使用第一原理計算來探討 Si(100) 表面上吸附的原子團，彼此間之交互作用大小和不同的表面吸附結構對應之表面能量。當原子團吸附在表面時，它不僅會和所吸附的基板作用，吸附的原子團彼此間亦會有交互作用。我們稱吸附原子團彼此之交互作用為 “吸附物-吸附物交互作用”。雖然“吸附物-吸附物交互作用”遠小於 “吸附物-基板交互作用”，但是它卻大大地影響表面吸附物的排列結構。我們利用 Si(100) 表面上吸附不同的原子團，系統化地研究此課題。 本論文各章節編排如下:第一章簡介研究動機，相關文獻，和 Si(100) 表面結構。第二章描述模擬計算之理論架構，和掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy)，核心層光電子能譜 (Core-Level Photoelectron Spectroscopy) 之操作原理。第三及第四章則分別針對兩種不同的吸附物系統，進行“吸附物-吸附物交互作用”之研究、分析與討論。第五章為結論。 在第三章中，我們利用密度泛函理論 (Density Functional Theory) ，計算 Si(100) 表面上吸附1:1的氫原子和鹵素原子(例如：H-Cl )，或是1:1的相異鹵素原子(例如：I-Cl )，在不同的表面排列結構下的表面能量，來研究“吸附物-吸附物交互作用”。藉由分析不同的表面排列結構對應的表面能量，計算出“吸附物-吸附物交互作用”之大小，並用電子雲重疊模型合理解釋所算出的“吸附物-吸附物交互作用”大小。我們發現，不論是1:1的氫原子和鹵素原子系統(或是1:1的相異鹵素原子系統)，(2□2) 的表面排列結構，都是能量最低的，並且不同的排列結構對應之能量排序都是相同的。 這樣的結果，意謂著造成排列的物理機制，在不同的系統中卻是一樣的。我們的理論模擬也解釋了實驗 STM 的觀測結果。 在第四章中使用相同的方法，我們計算 Si(100) 表面上吸附1:1的氫原子和極化原子團簇(例如：H-OH ) 來研究“吸附物-吸附物交互作用”。我們使用極化分子:水 (H2O), 氨 (NH3), 甲醇 (CH3OH), 和甲胺 (CH3NH2) 吸附在 Si(100) 表面。由於這些極化分子都是裂解式吸附在 Si(100) 表面上，產生 –H, –OH (或是 –NH2 或是 –CH3O或是 –CH3NH) 之吸附物。經由分析極化原子團簇之“吸附物-吸附物交互作用”，我們發現氫鍵使極化原子團彼此相互吸引，而電子雲重疊使原子團彼此相互排斥，而這兩種相互競爭的作用力，是影響表面排列結構的主要因素。同時，我們使用裸露的 Si 原子(也就是沒有吸附任何原子的 Si)，來研究“吸附物-吸附物交互作用”。乾淨的Si(100)-2□1 表面是由一對一對經由 □-bond 鍵結的懸鍵 (Dangling Bonds) 所組成。我們以懸鍵作為另一種的“吸附物”， 探討“吸附物-吸附物交互作用”，發現在沿著 [0, 1, -1] 方向上，懸鍵彼此間互相吸引。 本論文中我們首先提出藉由分析不同表面排列結構，定量化計算出“吸附物-吸附物交互作用”大小。在兩種不同的吸附物系統中，了解產生“吸附物-吸附物交互作用”的物理機制，和此交互作用對於表面排列結構之影響。這樣的理論分析提供了一個很好的方式來探討表面結構之相關研究。