Surface structures of In adsorption on Si(001) 2 x 1: A photoelectron-spectroscopy and -diffraction study

Abstract

High-resolution core-level photoelectron spectroscopy and photoelectron diffraction using synchrotron radiation at the Beamline (BL)-18A of the Photon Factory (PF) was applied to study the well-ordered surface phases of 2 x 3, 2 x 2 and 4 x 3 induced by In adsorption on Si(001). The Surface Core Level Shift (SCLS's) of Si-2p were resolved, for the first time for group-3 adsorption on Si(001). These SCLS's are consistent to the symmetrization of Si dimers by In adsorption for 2 x 2 and 2 x 3 surfaces. For the 2 x 3 surface, the Si surface dimers not bonded to In was found to be buckled. The SCLS's of the 4 x 3 phase provided insight into the structure of this unknown phase. An extensive angle-scan Photoelectron Diffraction (PED) study was performed to elucidate further details of the geometrical structures for above surface phases. In-4d PED patterns were measured at several different photon energies for the Si(001) 2 x 2-In surface and also for 2 x 3-In and 4 x 3-In surfaces. For the Si(001) 2 x 2-In surface, a full Multiple Scattering Cluster (MSC) analysis was done to give detailed structural parameters of the surface dimer structures formed, e.g., In dimer length 2.84 +/- 0.1 angstrom and In-Si layer spacing 1.44 +/- 0.1 A. By comparing PED patterns of 2 x 2-In with those of other surfaces with very similar 2 x 3 and different 4 x 3 local structures, the local-structure sensitivity of the low energy PED was elucidated. In addition, a very strong angular anisotropy of spin-orbit branching ratio was observed for In-4d levels, whose origin was unambiguously identified by photon-energy-dependent PED measurement.

フォトン・ファクトリ(PF)のビームライン(BL)-18Aでのシンクロトロン軌道放射を使った高分解コアレベル光電子分光と光電子回折法によって、Si(001)面上のIn吸着で生じるよく規則化した2×3、2×2、4×3の表面相を研究した。Si-2pの表面コアレベルシフト(SCLS)を、Si(001)上の3族元素の吸着に対して、初めて解析した。これらのSCLSは、2×2と2×3の表面に対しては、Inの吸着によりSiの2量体が対称的になることに対応した。2×3の表面でInに結合していないSi表面の2量体がバックルしていることを見出した。4×3相のSCLSから、この未知の相構造に関する知見を得た。これら表面相の幾何学的構造をさらに詳しく調べるため、広い角度を走査する光電子回折(PED)を行った。Si(001)の2×2-In表面、2×3-In表面、および、4×3-In表面について、In-4dのPEDパターンをいくつかの異なる光子エネルギーで測定した。Si(001)2×2-In表面については、形成されている表面2量体の詳しい構造パラメータを得るために、十分な多重散乱クラスタ(MSC)分析を行い、例えば、Inの2量体の長さが2.84±0.1 オングストローム、In-Siの層間隔が1.44±0.1オングストローム、などを明らかにした。2×2-Inのパターンを、これと非常に似た局所構造を持つ2×3と、異なった局所構造を持つ4×3のPEDパターンと比較し、低エネルギPEDの局所構造感受性を説明した。また、In-4d凖位でスピン軌道分岐比の非常に強い角度異方性を観測し、この原因は光子エネルギーを変えたPED測定によって明瞭に確認した。