游離原子在矽表面的反應

比較實驗的 STM 影像，可以發現在 SDB→H 變化的附近可以發現有 H→Cl 的變化，也就是單一活性鍵附近的Si-H 鍵結被 Si-Cl 鍵結取代，這是因為 HCl 分 子碰到單一活性鍵後，H-Cl 鍵結斷掉，H 原子吸附上單一活性鍵，而剩下的游離 Cl 原子在附近表面遊走，和表面發生反應。所以我們要探討的另一個問題，就是 當HCl 和單一活性鍵發生提取式吸附後， 其中一個原子吸附在矽表面，另一個游 離狀態的原子在表面上會有怎麼樣的反應[13, 18]，是直接跑到真空中，或是跟附 表表面的H 原子發生反應？

首先探討Cl 原子吸附上單一活性鍵，產生一個游離 H 原子的情形。HCl 分子 中的Cl 原子吸附至單一活性鍵，剩下的 H 原子會在附近表面遊走，有三種可能的 情況產生，如圖3.27 所示。(a)第一種是游離 H 原子直接跑到真空中，這種情形的 發生機率為91%，占了絕大部分，(b)第二種是這個 H 原子在附近看到另外一個單 一活性鍵，就吸附上去，這種機率為9%，(c)第三種是這個 H 原子和附近表面的 H 原子作用，讓Si-H 鍵結斷掉，表面的 H 原子會脫附，並跟游離的 H 原子形成 H2

分子脫離表面，表面上出現一個單一活性鍵，雖然這種情形我並沒有觀察到，機 率為0%，但是我認為這個情況是有可能發生的，因為新產生的單一活性鍵可能又 跟別的HCl 分子發生反應，但我的實驗數據是間隔了約 20 分鐘左右的 STM 影像，

所以中間過程發生的反應並沒辦法觀察到。

(a)

(b)

(c)

圖3.27 游離 H 原子與表面的反應示意圖。大部份的 H 原子都直接跑到真空中。

接下來我探討的是游離Cl 原子和附近表面反應的情形。HCl 分子中的 H 原子 吸附至單一活性鍵，剩下的Cl 原子會在附近表面遊走，一樣有三種可能的情況，

如圖 3.28 所示：(i)游離 Cl 原子直接跑到真空中，機率是 65%，(ii)Cl 原子會取代 附近表面的H 原子，也就是將原本的 Si-H 鍵結打斷，形成 Si-Cl 鍵結，這種情形 發生的機率是35%，以能量的觀點來看，Si-H 的鍵結能（bond energy）為 3.8 eV，

Si-Cl 的鍵結能為 3.2 eV，所以 Si-Cl 鍵結取代 Si-H 鍵結的反應是合理的，本實驗 室之前做過Cl2分子和單一活性鍵的反應，也是有游離Cl 原子取代表面 H 原子的 現象[1]。(iii)游離 Cl 原子和鄰近表面的 H 原子反應，讓 H 原子從表面脫附，和 Cl 原子形成一個 HCl 分子，並在表面留下一個單一活性鍵，和上一段討論的游離 H 原子一樣，這種情況並沒有觀察到，機率是 0%，不過我認為是有可能發生的，

因為新產生的單一活性鍵可能又跟別的 HCl 分子發生反應，但我的實驗數據是間 隔了約20 分鐘左右的 STM 影像，所以中間過程發生的反應並沒辦法觀察到。

91%

9%

0%

(i)

(ii)

(iii)

圖3.28 游離 Cl 原子與表面的反應示意圖

圖 3.28 中的情形(ii)是游離 Cl 原子取代鄰近的 H 原子，這裡的『鄰近』指的 是 3 個原子內的距離，令人好奇的是，這些被取代的 H 原子位置的分佈是否也有 選擇性[19, 20]？將這些被取代的 H 原子的分佈位置做統計，如圖 3.29 和圖 3.30，

發現最大的機率60%發生在同一個雙原子單體的位置，也就是 H 原子吸附上單一 活性鍵後，游離的Cl 原子就取代了同一個雙原子單體上的另一個 H 原子，另外 40%

的機率是Cl 原子取代其他位置的 H 原子。

35%

65%

0%

H ²⁴