ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJESİ KESİN RAPORU Yb/Ge (111)-(3x2) Yüzeyinin Atomik ve Elektronik Yapısının Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi İle İncelenmesi Proje Yürütücüsü : Prof. Dr. Bora ALKAN Yrd. Araştırmacılar : Arş. Gör. Çağıl KADEROĞLU Fizik Yük. Müh. Zeynep AYDUĞAN Proje Numarası : 09B4343001 Başlama Tarihi : 01/02/2009 Bitiş Tarihi : 01/08/2010 Rapor Tarihi : 03/09/2010 Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Ankara - 2010
I. Projenin Adı ve Özeti Projenin Adı : Yb/Ge (111)-(3x2) Yüzeyinin Atomik ve Elektronik Yapısının Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi İle İncelenmesi (Investigation of the Atomic and Electronic Structure of the Yb/Ge(111)-(3x2) Surface by the Density Functional Theory) Özet Elektronik cihazlarda boyutların giderek küçülmesi bilimsel çalışmaların yüzey fiziğine odaklanmasını sağlamıştır. Günümüzde, teknolojik uygulama alanlarındaki sürekli artış, böyle düşük indeksli sistemlerin özelliklerinin mikroskobik düzeyde anlaşılmasını oldukça önemli kılar. Silisyum (Si) ve germanyum (Ge), yapısal özelliklerinden dolayı teknolojik uygulama spektrumu oldukça geniş yarıiletkenlerdir. Bu malzemelerin (001), (011) ve (111) yüzeyleri, diğer maddelerle kolayca etkileşebildiği için yüzey biliminde geniş bir yer tutar. (111) yüzeyi, çalışılması ve anlaşılması bakımından oldukça zordur. Bu yüzey, üzerine adsoplanan malzemenin cinsine göre farklı özellikler gösterir. Örneğin, Si(Ge)(111)-(7x7) yüzeyine Yb, Sm gibi nadir yer elementleri (REM) 1/6ML altında adsorplandığında bu yüzey Si(Ge)(111)-(3x2) şeklinde yeniden yapılanma gösterir. 1/3ML altında sodyum (Na), potasyum (K) gibi alkali metaller (AM) adsorplandığında ise; Si(111)-(3x1) yeniden yapılanması gözlenir. Bu tür yapılar optoelektronik ve mikroelektronik cihazların üretilmesinde kilit rol oynar. İlginç diğer bir özellik ise elektronik bant durumlarıyla ilgilidir; Tek sayıda valans elektronuna sahip AM adsorplanmış Si(111)-(3x1) yüzeyinin yarıiletken özellik gösterdiği bilinmektedir. Aynı yüzeye çift sayıda valans elektronuna sahip toprak alkali metaller (AEM) adsorplanırsa, bant tanımına göre yapı metalik olmalıdır. Ancak, Sakamoto et al. (2004) ve Lee et al. (2001) ın rapor ettiği ARPES (angle-resolved photoelectron spectroscopy) sonuçlarına göre bu yapı, AM/Si(111)-(3x1) yüzeyine benzer şekilde yarıiletken özellik göstermiştir. Takada et al. ın (2006) lantanit grubu elementlerinden Yb ile yaptığı ARPES çalışmasında ise, Yb/Si(111)-(3x2) yüzeyinin, bulk yapının bant
aralığına düşen beş yüzey durumuna sahip olduğu, bunlardan üçünün AM/Si (111)-(3x1) yapısıyla, diğer ikisinin ise Ca/Si(111)-(3x2) yapısıyla uyuştuğu bildirilmiştir. Kuzmin et al., 2007 yılında yaptığı çalışmada, alttaş olarak Ge kullanmış ve 1/6ML Yb/Ge(111)-(3x2) yüzeyinin atomik ve elektronik yapısını yüksek-çözünürlüklü sinkrotronışınımı fotoelektron spektroskopisi ve LEED (low-energy electron diffraction) tekniği kullanarak araştırmıştır. Çalışmada, Yb/Ge(111)-(3x2) fazının alttaş yapısını açıklamak için klasik HCC (honeycomb chain-channel) geometrisine dayalı yeni bir model önerilmiştir. Bununla birlikte yüzeyin yarıiletken karakterde ve beş yüzey durumuna sahip olduğu rapor edilmiştir. Ancak Kuzmin et al. ın önerdiği bu yeni modeli inceleyen teorik bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Bu proje, bu alana katkı sağlamak amacıyla sunulmuştur. II. Amaç ve Kapsam Bir ve iki boyutlu süper yapılar, günümüz teknolojisine katkılarından dolayı, deneysel ve teorik çalışmaların temelini oluştururlar. Bugüne kadar yapılan yüzey çalışmalarında, üzerine bir metal atomu adsorplanan Ge(111) ve Si(111) yüzeylerinde gözlenen yeniden yapılanmalar için farklı modeller önerilmiştir. Bu modeller doğrultusunda varılan genel kanı, klasik HCC yeniden yapılanmasının en uygun model olduğu yönündedir. Bu yapıda adatom, T 4 veya H 3 bağlanma noktalarından birine yerleşir. Örneğin Si(111) yüzeyi üzerine grup III metalleri adsorplandığı zaman B atomunun dışındakiler genellikle H 3 (dördüncü tabaka Si üzerindeki nokta) ve T 4 (ikinci tabaka Si üzerindeki nokta) noktalarını tercih ederler. Başlangıçta deneysel ve teorik çalışmalar H 3 noktasının favori olduğunu söylerken, son çalışmalar T 4 noktası üzerine yoğunlaşmıştır. B atomu ise S 5 olarak adlandırılan ikinci tabakadaki Si atomu ile yer değiştirir. B atomunun böyle farklı bir geometriyi tercih nedeni literatürde açık değildir. Diğer önemli bir çalışma ise, projenin özet kısmında da belirtilmiş olan Yb/Ge(111)-(3x2) yapısıdır. Kuzmin et al. ın (2007) yaptığı bu deneysel çalışma sonucunda önerilen modele göre, en üst tabakadaki Ge=Ge çift bağı düşey bir bükülmeye (vertical buckling) sahiptir. Bu davranış, önerilen modeli, genel HCC yapısından ayıran önemli bir özelliktir. Atomik geometrinin doğru tespit edilmesinin yüzey bilimi açısından önemi yukarıda vurgulanmıştır.
Bu kapsamda, Kuzmin et al. ın (2007) Yb/Ge(111)-(3x2) yüzeyi ile ilgili çalışmasında önerdiği modeli doğrulayan herhangi bir teorik çalışma literatürde mevcut değildir. Bu proje kapsamında, Yb/Ge(111)-(3x2) yüzeyinin atomik ve elektronik özellikleri DFT ye dayalı ab-initio pseudo-potansiyel metodu ile teorik olarak incelenmiştir. III. Materyal ve Yöntem Bu çalışmada, ab-initio hesaplaması için VASP simülasyon paketi kullanılmıştır. Bu paket, yoğunluk fonksiyoneli teorisi ve düzlem dalga fonksiyonunu içermektedir. Elektron-iyon etkileşmesi için sanki-potansiyel (pseudopotential); değiş - tokuş ve korelasyon etkileşmesi için ise Perdew ve Zunger in geliştirdiği fonksiyonlar kullanılmıştır. Periyodik süper hücre, atomik tabaka ve boşlukların oluşturulmasıyla yapay olarak simüle edilmiştir. Kendi içinde tutarlı (self-consistent) çözümler Monkhorst-Pack tipi gridleme ile k-noktaları belirlenmiştir. Atomik yapı ile ilgili olarak; adsorplanan metalin yarıiletken yüzeyde yerleşebileceği farklı noktaları içeren mümkün tüm yapılanmalar belirlenerek bilgisayar ortamına aktarılarak hazırlanan tüm geometriler için durulma (relax) işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu işlem sonucunda araştırılan sistemlerin toplam enerji değerleri karşılaştırılarak yüzeydeki metalin tercih ettiği yerleşme noktası yani sistemin kararlı yapısı belirlenmiştir. Elektronik yapıyı incelemek için; adsorplanan metalin kararlı geometrisine karşı gelen yüzey durum bantları çizilerek, yüzeyde mevcut olan enerjitik kırık bağların adsorplanan metal ile passivize edilip edilmediği ve yüzeyin ne tür bir davranış (iletken veya yarıiletken) sergilediği incelenmiştir.
IV. Analiz ve Bulgular Kuzmin et al. ın (2006) Ge(111)-(3x2) üzerine Eu atomu ile yaptığı çalışmada, Si(111)- (3x2) yeniden yapılanmasında gözlenen tek bağlanma noktasının (T 4 ) aksine, iki farklı bağlanma noktası önerilmiştir. Buna göre Eu/Ge(111)-(3x2) yapısı HCC model ile açıklanamamaktadır. Bunun sonucunda bu faz için T 4 H 3 isimli değiştirilmiş bir HCC geometrisi önerilmiştir. Diğer taraftan aynı öneriyi Yb/ Ge(111)-(3x2) yüzeyi için de yapmışlardır. Proje kapsamında bu öneri teorik DFT hesaplamaları yapılarak incelenmiştir. Ge(111)-(3x2) yüzeyinin birim hücresi 1/6 ML için tek bir Yb atomu içermektedir. Bu sebeple T 4 H 3 modelini DFT hesaplarıyla tek bir birim hücrede incelemek mümkün olmamıştır. Bu sorunu aşmak amacıyla Yb atomunun adsorblanması sonucu, Ge (Si) (111) yüzeyinde gerçekleşen (3x2) yeniden yapılanması, genelleştirilmiş gradyen yaklaşımı (GGA) altında H 3 ve T 4 bağlanma noktaları için ayrı ayrı incelenerek elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu iki bağlanma noktasına ait toplam enerji değerlerine bakıldığında, Yb/Ge(111)-(3x2) yüzeyi için, T 4 model H 3 e göre 0.01 ev/birimhücre daha enerjitik durumdadır. Alttaş olarak Si kullanıldığında, bu farkın 0.08 ev/birimhücre olduğu gözlenmiştir. Özellikle germanyum alttaş için, T 4 ve H 3 modellerine ait toplam enerji değerleri arasındaki fark önemsenmeyecek kadar küçüktür. Buradan yararlanarak, bu iki modelin birbiriyle özdeş olduğu sonucu çıkartılabilir. Dolayısıyla, Kuzmin et al. (2006) tarafından önerilen, REM/Ge(111)-(3x2) için adsorplanan atomların yarısının T 4 diğer yarısının H 3 konumlarını tercih ettiği T 4 H 3 bağlanma modelinin geçerli olabileceği teorik olarak ilk defa bu çalışmayla ortaya konulmuştur. Bununla birlikte, literatürde [23] bu modelin kararlı geometrisi için çift bağ yapan atomlar arasında dikey bir eğrilik olması gerektiği önerilmiştir.ancak bu çalışmadan çıkan sonuçlara göre, önerilen modelin aksine, Ge=Ge (Si=Si) çift bağında herhangi bir dikey eğrilik gözlenmemiştir.
Yb/Ge(111)-(3x2) nin elektronik yapısı incelendiğinde, temel band aralığı bölgesinde ikisi işgal edilmiş, üçü rezonans ve biri de işgal edilmemiş olmak üzere altı yüzey durumu görülmüştür. Bu sonuçlar Kuzmin et al. (2007) tarafından rapor edilen deneysel ölçümlerle oldukça uyumludur. Yb/Si(111)-(3x2) nin elektronik yapısı incelendiğinde ise üçü işgal edilmiş, üçü de rezonans olmak üzere yine altı yüzey durumu gözlenmiştir. Bu sonuçlar Takada et al. (2006) tarafından rapor edilen deneysel verilerle uyum içindedir. Ayrıca, Bedeens tünelleme formülü kullanılarak tüm yüzeylerin teorik STM görüntüleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçların literatürdeki diğer çalışmalara uyumlu olduğu görülmüştür. V. Sonuç ve Öneriler Sonuçlar: Bu projenin hayata geçirilmesiyle birlikte Ankara Üniversitesi ve çalışma grubumuz adına çok önemli bazı sonuçlar elde edilmiştir. Proje kapsamında gerçekleştirilen cihaz (server sistemi) ve lisanslı program alımıyla, daha önce üniversitemiz bünyesinde bulunmayan yeni bir araştırma alanı adına altyapı hazırlanarak yüzey fiziği kapsamında çalışılan yeni güncel konuların ele alınmasına olanak sağlanmıştır. İki doktora öğrencisinin tez çalışmaları bu projeyle desteklenerek bu alanda yetişmiş yeni bilim insanları ve bilgi birikimi kazanılmıştır. Proje kapsamında alınan VASP programı, yüzey fiziği alanında dünyanın önde gelen çalışma gruplarının da tercihi olması dolayısıyla, üniversitemizde yapılan çalışmaların kalitesini, güvenilirliğini ve grubumuz tarafından yapılan yayınlara gösterilen ilgiyi arttırmaktadır. Projede ele alınan konunun sonuçları, SCI kapsamında bulunan Surface Science adlı uluslararası dergide yayınlanmıştır.
Ayrıca bu projeyle kazanılan imkanlar kullanılarak yapılan başka bir çalışmanın sonuçları, yine SCI kapsamında bulunan European Physical Journal B adlı uluslararası dergide yayınlanmıştır. Sonuç olarak, projeyle hedeflenen amaçlara belirlenen süre içerisinde ulaşılarak, hem üniversitemize yeni bilimsel olanaklar kazandırılmış, hem de bilimsel literatüre belli oranda katkı sağlanmıştır. Öneriler: Günümüzde bilimsel araştırmalar deney ve teorinin birlikte çalışmasıyla ilerlemektedir. Ancak simülasyon temelli teorik çalışmalar için yüksek hızlı ve yüksek kapasiteli bilgisayar donanımları gerekmektedir. Bu kapsamda üniversitemiz bünyesindeki teorik çalışma grupları için geniş kapsamlı server sitemleri kurularak bu çalışmalar teknolojik açıdan desteklenmelidir. Projede Yapılan Yayınlar: 1 Ab initio study of Yb on the Ge(111)-(3x2) and Si(111)-(3x2) surfaces. S.Özkaya, M. Çakmak, B. Alkan, Surface Science, 604, 1899 1905 (2010) 2 Atomic and electronic properties of tert-butanol on the Si(001)-(2 1) surface. Ç. Kaderoğlu, Z. Ayduğan, B. Alkan and M. Çakmak, Eur. Phys. J. B 76, 359 363 (2010)
VI. Kaynaklar 1 O. Kubo, A. A. Saranin, A. V. Zatov, J.-T. Ryu, H. Tani, T. Harada, M. Katayama, V. G. Lifshits and K. Oura, Surf. Sci. Lett. 415, L971 (1998) 2 G. Lee, J. Kim I. Chizhow, H. Mai and R. F. Willis, Phys. Rev. B. 61, 9921 (2000) 3 A. A. Baski, S. C. Erwin, M. S. Turner, K. M. Jones, J, W. Dickinson and J. A. Carlisle, Surf. Sci. 476, 22 (2001) 4 H. Daimon and S. Ino, Surf. Sci. 164, 320 (1985) 5 K. Sakomota, T. Okuda, H. Nishimoto, H. Daimon, S. Suga, T. Kinoshita and A. Kakizaki, Phys. Rev. B. 50, 1725 (1994) 6 K. Sakomota, W. Takeyama, H. M. Zhang and R. I. G. Uhrberg, Phys. Rev. B. 66, 165319 (2002) 7 K. S. An, R. J. Park, J. S. Kim, C. V Park, C. Y. Kim, J. W. Chung, T. Abukawa, S. Kono, T. Kinoshita, A. Kakizaki and T. Ishii, Surf. Sci. 337, L789 (1995) 8 C. Wigren, J. N. Andersen, R. Nyholm, U. O. Karlsson, J. Nogami, A. A. Baski and C. F. Quate, Phys. Rev. B. 47, 9663 (1993) 9 E. Ehret, F. Palmino, L. Mansour, E. Duverger, J.-C. Labrune, Surf. Sci. 569, 23 (2004) 10 K. J. Wan, X. F. Lin and J. Nogami, Phys. Rev. B. 46, 13635 (1992) 11 G. Lee, H. Mai and R. F. Willis, Phys. Rev. B. 63, 085323 (2001) 12 A. A. Saranin, A. V. Zatov, V. G. Liftshits, J.-T. Ryu,O. Kubo, H. Tani, T. Harada, M. Katayama and K. Oura, Phys. Rev. B. 58, 3545 (1998) 13 J. Quinn and F. Jona, Surf Sci. Lett. 249, L307 (1991) 14 W. C. Fan and A. Ignatiev, Phys. Rev. B. 40, 5479 (1989) 15 G. Kleine, W. Moritz and G. Ertl, Surf. Sci. 226, 119 (1990) 16 H. H. Weitering and J. M. Carpinelli, Surf. Sci. 384, 240 (1997) 17 T. Okuda, S. Sakomoto, H. Nishimoto, H Daimon, S. Suga, T. Kinoshita and A. Kakizaki, Phys. Rev. B. 55, 6762 (1997) 18 H. H. Weitering, X. Shi and S. C. Erwin, Phys. Rev. B. 54, 10585 (1996) 19 K. Sakamoto, H. M. Zhang and R.I.G. Uhrberg, Phys. Rev. B. 69, 125321 (2004) 20 G. Lee, S. Hong, H. Kim, D. Shin, J.-Y. Koo, H.-I. Lee and D. V. Moon, Phys. Rev. Lett. 87, 056104-1 (2001) 21 S. Takada, K. Sakamoto, K. Kobayashi, T. Suzuki, A. Haraswa, T. Okuda and T. Kinoshita, Appl. Surf. Sci. 252, 5292 (2006) 22 M. Kuzmin, R.-L. Vara, P. Laukanen, R. E. Perala. I.J. Varyynen, Surf. Sci. 549, 183 (2004) 23 M. Kuzmin, K. Schulte, P. Laukkanen, M. Ahola-Tuomi, R.E. Perala, M. Adell, T. Balasubramanian and I. J. Varyynen, Phys. Rew. B. 75, 165305 (2007) 24 M. Kuzmin, R. E. Perala, P. Laukkanen, M. Ahola-Tuomi, I.J. Vayrynen, Phys. Rew. B. 74, 115320 (2006)
VII. Ekler a) Mali Bilanço ve Açıklamaları Alınan Malzeme Alınan Yer Fiyat Kullanım Amacı 1 Adet Server Zemin Bilgisayar 5.190 TL Projede yapılan hesapların gerçekleştirilebilmesi için kullanılmıştır. VASP Paket Programı (Lisanslı) Prof. Dr. G.Kresse ve Dr. J.Furthmüller (Viyana - Avusturya) 3000 Bilimsel hesapların gerçekleştirilmesini sağlayan simülasyon paketi