VUV14, July 23, 2004

Electronic structures of Ca induced one-dimensional reconstructions

on a Si(111) surface　

Kazuyuki　SakamotoDept.　Phys.,　Tohoku　University,　Japan

H.M. Zhang, R.I.G. UhrbergIFM, Linköping University, Sweden

Outline1. Introduction2. Experimental details3. Results and discussion4.Conclusion

Outline1. Introduction2. Experimental details3. Results and discussion4.Conclusion

VUV14, July 23, 2004Introduction

　 1D　(and　quasi-1D)　structures　formed　on　semiconductor　surfaces　　expected　to　show　interesting　physical　phenomena

　 Ca/Si(111)　surface　 (n×2)　reconstructions　(n=3,　5,　7,　and　9)　that　 culminates　with　a　(2×1)　phase　at　0.5　ML.　　　 A.A.　Baski　et al.,　SS　476,　22　(2001),　T.　Sekiguchi　et al.,　SS　493,　196　(2001),　K.　Sakamoto　et al.,　PRB　66,　165319　(2002)　

　　　(3×2)　phase 　　 (2×1)　phase

　　　　　　　　　honeycomb-chain　channel　(HCC)　model 　 π-bonded　Seiwatz　Si　chains　

　　　　　　S.C.　Erwin　and　H.H.　Weitering,　 　　　　　　 　 R.　Seiwatz,　Surf.　Sci.　2,　473　(1964)　　　　　　PRL　81,　2296　(1998)

　

　intermediate　phases;　combinations　of　the　HCC　and　Seiwatz　models

　the　understanding　of　the　surface　band　structures　of　the　two　end　phases　is　essential　to　fully　comprehended　the　electronic　properties　of　

the　Ca　induced　1D　and　quasi-1D　reconstructionsK. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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(3x2) surface semiconducting electronic characters

A.A. Baski et al., SS 476, 22 (2001), D.Y. Petrovykh et al., SS 512, 269 (2002), O. Gallus et al., Europhys. Lett. 60, 903 (2002), Y.K. Kim et al., PRB 68, 245312 (2003)

inconsistent resultsthese studies cover only a part of the surface Brillouin zone

(2x1) surface A.ABaski et al., SS 476, 22 (2001)

semiconducting electronic characters

surface band structure -> important input to the structure determination

Aim of this study

determination　of　the　surface　electronic　structures　of　the　Ca/Si(111)-(3x2)　and　(2x1)　surfaces

Introduction

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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• Si(111)　 n-type　with　a　1.1°　miscut　toward　the　[-1-12]　directioncleaning followed　the　procedure　described　in　APL　72,　948　(1998)check LEED,　valence　and　Si　2p　core-level　spectrum

• Ca　adsorption　　　　　　　deposition　onto　a　substrate　kept　at　~1000　K

　beamline　33,　MAX-I　synchrotron　radiation　facility,　Lund,　Sweden

　energy　resolution:　~50　meV　at　h =　21.2　eV　angular　resolution:　±2°

　base　pressure:　below　4×10-11　Torr

•　measurements:　100　K

Experimental details

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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no　density　of　states　at　the　Fermi　level

semiconducting　electronic　structure

agree　well　with　the　earlier　studies

Valence-band　spectra　measured　using　(a)　h=21.2　eV　and　(b)　17　eV　along　the　[-110]　direction,　and　(c)　spectra　measured　using　h=21.2　eV　along　the　[11-2]　direction.

Results and discussion

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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Band　dispersion　of　the　Ca/Si(111)-(3x2)　surface

S1-S3　states　follow　a　(3x1)　periodicity　instead　of　the　(3x2)　observed　in　LEED.

1　and　2:not　observed　in　the　earlier　ARPES　studies

　same　binding　energy　using　different　h　　　　　　　direct　bulk　transition

no corresponding state around the point originate from an umklapp process

surface　states

Results and discussion

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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Surface　state　dispersions　of　the　Ca/Si(111)-(3×2)　surface.　Solid　gray　lines　are　the　theoretical　surface　state　dispersions　derived　from　the　calculation　for　the　Li/Si(111)-(3×1)　surface　taken　from　PRL　81,　2296　(1998).

A

C　　D

B　　A’

Results and discussion

S3;　good　agreement　with　S1+　S1+~ c+d 、　　　　　-bond　between　the　c　and　d　atoms　　　　　hardly　affected　by　the　adsorbates　　　　S3; C + D

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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Surface　state　dispersions　of　the　Ca/Si(111)-(3x2)　surface.　Solid　gray　lines　are　the　theoretical　surface　state　dispersions　derived　from　the　calculation　for　the　Li/Si(111)-(3x1)　surface　taken　from　PRL　81,　2296　(1998).

A

C　　D

B　　A’

Results and discussion

S2±~ a±b;cannot　use　the　wave　function　of　　　　　　　　　　a　and　b　atoms　of　a　1/3　ML　HCC　　Assumption;　(A±A’)　±B

　　HCC;　stabilized　by　a　donation　of　two　　　　　electrons　per　(3×2)　unit　cell　　　　　(A　+　A’)　~　A　　(A　+　A’)　±　B　　　　　~　A　± B;　same　description　as　S2　±

S1; A - B, S2; A + B

1　and　2;　(A　-　A’)　±　B　(?)

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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Valence-band　spectra　of　the　Ca/Si(111)-(2x1)　surface

　LEED　pattern　of　the　Ca/Si(111)-(2x1)　surface

Band　dispersion　of　the　Ca/Si(111)-(2x1)　surface

Results and discussion

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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Surface　state　dispersions　of　the　Ca/Si(111)-(2x1)　surface.　Solid　gray　lines　are　the　theoretical　surface　state　dispersions　for　the　Si(111)-(2x1)　surface　taken　from　PRB　51,　4258　(1995)　and　the　dashed　lines　are　those　taken　from　PRB　54,　1482　(1996).

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　dispersion　behavior　of　S1　　and　S2

surface　states　of　the　Si(111)-(2x1)　with　a　Seiwatz　structure

situated　just　above　and　just　below　EF

supports　the　structural　model　proposed　in　the　earlier　studies

Results and discussion

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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(3x2) surface

　observation　of　six　states　in　the　gap　and　pocket　of　　　the　bulk　band　projection　the　dispersion　behavior　of　three　of　them　agree　well　with　

　　　the　surface　states　of　a　1/3　ML　HCC　surface.　 S1; A - B, S2; A + B, S3; C + D

1　and　2;　(A　-　A’)　±　B　(?)

(2x1) surface

　observation　of　　five　states　in　the　gap　and　pocket　of　　　　the　bulk　band　projection

S1　　and　S2　agrees　well　with　the　surface　states　of　the　Si(111)-(2x1)　　　　surface　with　a　Seiwatz　structure

A

C　　D

B　　A’

Conclusion

K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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K. Sakamoto, H.M. Zhang, R.I.G. Uhrberg

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