共有結合性結晶の気相エピタキシャル成長に関する量子化学的研究

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気相エピタキシャシル成長過程を詳細に解明し、成長の方向を決めている要因が何かを明らかにするために、今年度は(1)ダイヤモンド(001)面上で、炭素原子が吸着しマイグレートする機構、(2)マイグレートした原子が(001)面SBステップ端に到達後、どのように成長反応に関与していくか、を併せて研究した。計算方法は、基本反応の計算にはab initio MO法を用い電子相関の寄与が大きいのでMP2レベルで構造最適化を行った。実在する(001)面を表現するような大型モデルを用いる場合はMNDO法で計算した。計算に当っては結晶表面の性格を表わすためadatomおよび最上層ダイマー以外の下層原子は全て結晶格子の位置に固定した。結果を以下に示す。(1)炭素原子がダイヤモンド(001)面上に安定に吸着する部位と、表面拡散するために必要なエネルギーとを、炭素原子がダイマー列に沿う方向に移動する場合と、ダイマー列を横切る方向に移動する場合とで求めた。炭素原子は最上層ダイマーと三員環を形成して最安定構造を取り、ここからダイマー列に沿った方向に炭素原子のマイグレーションが起こることがわかった。表面拡散の活性化エネルギーは29.7kcal/molと求められた。ダイマー列を横切る方向のマイグレーションは約2倍のエネルギーを要するので起り難い。(2)SBステップ端にやって来たAdatomは、ステップ端がジエン構造であるためテラス面とは異なり2箇所の安定吸着位置を利用できる。ここに集った2個のAdatomはダイマーを自然に形成し、低い活性化エネルギーで成長方向にマイグレートし、SBステップタイプII構造を形成できることがわかった。この結果は、SBステップ端では、炭素原子は必ずダイマー単位で、しかもダイマー列を伸長させるように成長が起こることを示しており、STM実験の結果と一致する。即ち、ダイヤモンド(001)面のSTM像はシリコン(001)面と同様にSBステップ端は凹凸が激しくSAステップ端は滑らかである。また、成長表面において観察される再構成ダイマー構造は(2×1)構造のみであり、c(2×2)市松模様構造は現われない。