表面における原子移動の第一原理分子動力学による理論的研究

Abstract

結晶成長や表面腐食、あるいは触媒反応といった固体表面上での反応には、拡散や吸着・脱離など様々な原子移動が関与している。仮想実験室内においてこのような表面現象を仮想的に再現し、あるいは予測することが出来れば、実際の材料作製やその機能・特性の評価にあたり極めて有益な指針を得ることができる。本研究では、単純金属表面上での酸素分子の解離過程、および半導体表面直下でのCl原子の振る舞いを取り上げ、固体表面上での原子移動・反応の仮想実験を可能にするためのモデルの研究・技術開発を行った。典型的な単純金属の1つであるAlの(111)表面近傍でのO2に対して実行した計算では、表面からの電荷移動を起源とする引力が表面-分子間に働き、その後分子が解離するモデルが示された。一方、GaAs半導体中の表面直下に侵入したCl原子に対しては、結晶中への拡散よりも表面への析出が圧倒的であり、その際に母体結晶の原子間共有結合を、次々と破壊して行くというモデルが示された。今後、金属や半導体表面での反応・原子移動に対するこれらのモデルを基に、さらに表面特性の研究を進めることが可能になった。

Atomic migration phenomenon, such as diffusion, adsorption and desorption, are closely related with various reactions on solid surfaces, such as crystal growth, surface corrosion and catalytic reactions. If reproduction or simulation of the surface phenomena is possible in a virtual laboratory, quite useful guides are provided to the manufacture of materials and the evaluation of functions and properties of the materials. In the present study, the dissociation process of oxygen molecules on simple metal surfaces and the behavior of chlorine atoms just below the subsurface of semiconductors are discussed, in order to research and develop the model that makes it possible to conduct virtual experiments of the atomic migration and reactions on solid surfaces. In the numerical study of oxygen molecules on the Al(111) surface, which is one of typical simple metals, the attractive forces, associated with charge transfer from a surface, worked between the surface and the molecules, and subsequently the molecules are dissociated. On the other hand, chlorine atoms, which penetrated into just below the surface of the GaAs semiconductor crystal, mostly precipitate on the surface instead of diffusing into the crystal, and the covalent bonds between atoms of the host crystal were sequentially broken down during the precipitation. The above mentioned models for the reactions and atomic migration on a surface of metals or semiconductors have made further study of surface phenomena possible.