Top Banner
(ii) physical properties of surfaces: surface energy, surface stress and their relevance for surface (i) interplay between the geometric and electronic structure of solid surfaces, Topics: morphology (iii) adsorption and desorption energy barriers, chemical Eckhard Pehlke, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24098 Kiel, Germany. Surface Structure, Chemisorption and Reactions reactivity of surfaces, heterogeneous catalysis (iv) chemisorption dynamics and energy dissipation: electronically non-adiabatic processes
26

Surface Structure, Chemisorption and Reactions … · Surface Structure, Chemisorption and Reactions reactivity of surfaces, heterogeneous catalysis (iv) chemisorption dynamics and

Oct 19, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • (ii) physical properties of surfaces: surface energy, surface stress and their relevance for surface

    (i) interplay between the geometric and electronic structure of solid surfaces,

    Topics:

    morphology(iii) adsorption and desorption energy barriers, chemical

    Eckhard Pehlke, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik,

    Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24098 Kiel, Germany.

    Surface Structure, Chemisorption and Reactions

    reactivity of surfaces, heterogeneous catalysis(iv) chemisorption dynamics and energy dissipation: electronically non-adiabatic processes

  • substrates for homo- or hetero-epitaxial growth of semiconductorthin films used in device technology

    and steer the desired chemical reactionssurfaces can act as heterogeneous catalysts, used to induce

    Solid surfaces are intriguing objects for basic research,

    and they are also of high technological utility:

    Technological Importance of Surfaces

  • The Geometric and

    Sect. I:

    the Electronic Structure

    of Crystal Surfaces

  • number of space groups:number of point groups:number of Bravais lattices:

    2D1710 5

    3D230 32 14

    o120

    2D-

    γa, b, 2

    1

    a, b

    γ = 90o

    b a

    b a

    m

    2mm7

    2

    gonal)(tetra-

    t

    o

    (ortho-

    rhom-

    (mono-m

    a = bγ = 90o

    4

    4mm3

    hexagonalh

    (hexa-gonal)

    a = bγ = 120o 5

    3

    6mm

    3m6

    γ

    aa

    aa

    a

    b

    mp

    op

    oc

    tp

    hp

    crystal systemsymbol lattice

    parameters2D Bravaislattice

    spacegroup

    pointgroups

    obliqueclin)

    rectangular

    square

    bic)

    Surface Crystallography

  • ������������������������������������������������������

    ������������������������������������������������������

    ������������������������������������

    ������������������������������������

    (010)

    fcc

    y

    z

    x

    x

    z

    c

    a

    a=c/ 2√square lattice (tp)

    x

    y

    z z

    ���������������������������������

    ���������������������������������

    ��������������������������������������������

    ��������������������������������������������

    [110]_

    a

    c

    rectangular lattice (op)

    fcc (110)

    ��������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������

    a

    y

    z

    x

    [110]_

    [011]_

    hexagonal lattice (hp)

    (111) fcc

    Bulk Terminated fcc Crystal Surfaces

  • a

    2a

    (2x1)

    reducedinter-layerseparation

    normalrelaxation

    reconstruction

    Surface Atomic Geometry

    H/Si(111)

    Examples:

    Si(111) (7x7)

    K. Brommer et al., Phys. Rev. Lett. 68, 1355 (1992)

  • ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ������

    ������

    ������

    ������

    ������

    ������

    Shockley States in the Projected Band Structure

    Electronic Structure of Surfaces:

    cusp no surfacestate

    VG 0<

    VG >0���������������

    ���������������

    ��������

    ��������

    bridge the band gap

    real energy,complex Bloch vector

    e i (k + i κ )z

    κ

    π

    ε

    2 |VG|

    gap

    /ak

    wave function matching at the surface

    surface state

    ψ

    ψ

    virtual induced gap states ~ eκ z

    v

    v

  • The Al(100) Surface State

    BZ of fcc lattice

    perpendicular to the surfaceAl(100) surface state in the projected band structure

    19, 642 (1979).

    ARUPS spectra

    D. Spanjaard et al., Phys. Rev. B G.V. Hansson, S.A. Flodström, Phys. Rev. B 18, 1562 (1978).

    Figures taken from: M.C. Desjonqueres, D. Spanjaard, "Concepts in Surface Physics", Springer (Berlin, 1993).

    bulk band structure for wave-vectorexit angle in (011)

    _

  • ���������

    ���������

    ���������

    ���������

    ��������

    ��������

    ���������������������������������������������������������������

    ���������������������������������������������������������������������������������������

    ������������������������

    molecular orbitalpicture

    Electronic Structure of Semiconductor Surfaces:Dangling Bonds on Si (001)

    εo���������

    ���������

    ������

    ������

    ��������

    ��������

    ���������������������������������������������������������������

    ���������������������������������������������������������������

    ��������������������������

    ��������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������

    ������������

    ������������

    ������������

    ���������������������������� ��������

    ����������������

    ������������������������

    atom after reconstructionand relaxation

    sp3 +sp2

    3

    1

    ε

    ε

    p

    s

    εo

    hybrid-orbital

    sp3

    σ

    o

    εo−

    *σempty

    2 x 4 el

    fullyoccupiedvalenceband

    (VB)

    emptyconduction

    band

    (CB)

    occupied

    db state

    (CB)

    (VB)

    EF

    band gap

    db (up)(occupied)

    surface dimer

    Si

    Si

    ||ε β

    β||

    +

    emptydb (down)

    +

    -

    pfictitious surfacewith almost

    non-interacting dbs

  • -20 -10 0 10 20Verkippungswinkel des Si-Dimers [o]

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    Ban

    dsch

    wer

    punk

    t [eV

    ]

    -20 -10 0 10 20Verkippungswinkel des Si-Dimers [o]

    -0.2

    -0.1

    0.0

    Ene

    rgie

    pro

    Dim

    er [e

    V]

    Si(001)(1x2)decoup. dimer

    Si(001)

    dimer buckling angle [°]

    dimer buckling angle [°]

    ener

    gy p

    er d

    imer

    [eV

    ]ba

    nd c

    ente

    r [e

    V]

    p(2x2)

    SiH

    SiH

    π∗

    π

    Interplay of the Atomic and Electronic Structure of Si(001)

    buckled dimers surface state (HOMO)

    lowest unoccupied surface state (LUMO)

    symmetric dimers

    highest occupied

  • Mechanisms for Lowering the Surface Energy

    reduce density of dangling bonds

    formation of bonds between dangling bonds

    Jahn-Teller-like distortions: relaxation and re-hybridization

    minimization of elastic strain

    -> by dimerization (Si(100), ~1 eV/db)-> ad-atoms (Si(111), rebonded steps on Si(100) vicinals)

    -> Pandey’s model of Si(111) (2x1)

    -> dimer buckling on Si(100)

    -> subsurface interstitial on Si(113)

    and other mechanisms (e.g. for compound semiconductors)

    π

    unusual atomic configurations

  • Sect. II:

    Material Properties of Crystal Surfaces:

    Surface Energy

    Surface Stress Tensor

  • (2) Calculation: total-energy DFTcalculations for slab geometries

    (3) equilibrium crystal shape (ECS)

    � �

    ���

    ������ �����

    ���� ������� �

    �� ���

    n11

    nn1

    A1

    n

    A2

    2

    n A33

    (a) (b)

    2nA2A

    A

    side view top view

    ���� � ����

    ����

    � � �

    ���

    ���������

    ��

    ������

    γ (n)

    (ECS)

    polar plot of thesurface energy

    equilibrium crystal shape

    r(h)= (n)/n hγ .

    nh

    a surface per surface area(1) Definition: = excess free energy of γ

    (ii) slab with inequivalent surfaces: derive individual surface energies from an energy density

    Surface Energy and the Thermo-dynamic Stability of Facets

    thermodynamic stable surface orientations

    (i) slab with equivalent surfaces:

    (N. Chetty, R. Martin, Phys. Rev. B 45, 6074 (1992).)

    Wulff-construction

    (4) Application: facet formation

  • Relation to surface energy: (different from liquids!)

    energy with an applied strain :

    Force density on a surface:

    Consequence: forces acting at stress domain boundaries -> elastic relaxation -> structure formation on mesoscopic length scales.

    Application:

    ∆ EVol

    ~ ε²

    ��� � ��� �

    ������

    � ��� � ��� ����

    ������ �

    ��

    ��������

    ������ ���

    σDefinition: surface stress = linear coefficient describing the change of surfaceε

    ( σxx xx> 0 tensile: < 0 => ∆ E

    σxx

    < 0 , preference for contraction,

    < 0 compressive: E < 0 , preference for expansion)> 0 => xx ∆ε

    ε

    Surface Stress Tensor

    surf

    surf

  • J. van Heys, E.P., unpublished.

    +

    -

    +

    -

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Θ [ML]

    0

    10

    20

    30

    σ ⊥[m

    eV/Å

    2 ]

    hit and stickequilibrated configuration

    T = 450 K

    �� �� ��

    �������

    ��

    �������

    ������� ��������

    ��� ���� ��� �� ���

    ���� ���� ���� �� ����

    ���� ��� ���� �� ����

    ���� �� ���� �� ��

    ���� ��� ���� � ���

    ���� ���� ��� � ��

    ���� ��� ���� �� ���

    ��� ���� ����� � ��

    ���� ��� ���� �� ���

    Surface Stress Variation Induced by Surface Reactions

    partially H-covered Si(001)

    HOMO

    LUMO

    HOMO

    LUMO

  • Sect. III:

    on/from a Si(100) Surfaceof Hydrogen Molecules

    and Recombinative DesorptionDissociative Adsorption

    Model System:

    Chemisorption on Semiconductor Surfaces

  • Langmuir-

    mechanismHinshelwood

    Surface Reactivity and Heterogeneous Catalysis

    The rate of chemical reactions depends on the reaction energy-barriersalong the reaction path:

    Dissociative adsorption and recombinative desorption of moleculeson a solid surface are an essential step of heterogeneous catalysis:

  • HSi

    ��������������������

    ��������������������

    ��������������������

    ��������������������

    pote

    ntia

    l ene

    rgy

    energy

    barrier

    adsorptionbarrier

    desorption

    chemisorption

    reaction pathcoordinate

    Dissociative Adsorption of a Molecule on a Solid Surface

    hydrogen molecule / H-precovered Si(100)(2x2)

    potential energyalong the reaction path

    electronic mechanism of bond formation and breaking

  • locate transition state(automated search for special saddle points in the potential energy surface)

    chemisorption geometries and energies(equilibrium geometries, reaction energy)

    strain energy of substrate at thetransition geometry, etc.("computer experiments")

    reaction path(steepest descent from transition state)

    PES, vibrational frequencies

    adsorption and desorptionenergy barrier

    d [Å]

    [Å]

    dz

    z

    D

    A

    TS

    PES (schematic)

    analyse electronic structure(learn about bond breakingand forming mechanism)

    (high-dimensional PES!)

    molecular dynamics,quantum-mech. sticking calc.

    A. Groß, Surf. Sci. Rep. 32, 291 (1998).

    DFT for Chemisorption: Reaction Path, PES, ...

    P. Kratzer, B. Hammer, J.K. Norskov,Phys. Rev. B 51, 13432 (1995).

  • Si9 Si15 Si21 slabClustergröße

    1.80

    2.30

    2.80

    3.30E

    nerg

    ie [

    eV]

    Edes, PW91 (Penev et al.)Edes, PW91 (Steckel et al.)Edes, B3LYP ( " )Erxn, PW91 ( " )Erxn, B3LYP ( " )

    J.A. Steckel, T. Phung, K.D. Jordan, P. Nachtigall,J. Phys. Chem. B 105, 4031 (2001).

    E. Penev, P. Kratzer, M. Scheffler, J. Chem. Phys. 110, 3986 (1999).

    Calculation of Chemical Reactions: Things to Keep in Mind

    H /Si(001)2

    (1) Cluster size convergence: at least 3 surface Si-dimers should be used.

    intra-dimer path

    desorption barrier

    reactionenergy

    cluster size

    ener

    gy [

    eV]

  • Calculation of Chemical Reactions:Things to Keep in Mind

    H2*

    H2

    2.20(5) eV

    2.28(9) eV

    0.75 eV

    0.63 eV

    > 0.6 eV1.95(25) eV

    =

    PW91 slab 1.95 eV

    PW91 cluster

    0.2 eV

    0.26 eV1.99 eV

    0.6 eV2.5 eVQMC cluster

    chemisorptionenergy energy barrier

    adsorption

    PW91-geometry, no ZPE:

    (4) Be aware of different reaction paths!

    chemisorptionenergy energy barrier

    adsorption

    intra-dimer

    inter-dimer

    (2) Quantum Monte-Carlo calculations for H /Si(100) clusters:PW91 not sufficiently accurate.

    (3) Correct reaction energies and barriers for zero-point vibrations.

    2

    C. Filippi, S.B. Healy, P. Kratzer, E.P., M. Scheffler, Phys. Rev. Lett. 89, 166102 (2002).

    (Höfer et al.)expt.

    (experimental desorption energy barrier: 2.5 eV)

    inter-dimer reaction path (H2),QMC-corrected, incl. approx. ZPE:

    e.g., decrease reaction energy by 0.2 eV (Steckel et al.)

    Different reaction paths for dissociative adsorption of hydrogen molecules on Si surfaces.Reaction barriers are influenced by electronic and geometric effects. Dramatic increase of reactivity at steps and on partially H-precovered Si(001) surfaces.

    (but still useful, e.g to compare between various reaction paths!)

  • Sect. IV:

    Molecular Dynamics of

    Electronically Non-Adiabatic Processes

    Time-Dependent DFT

  • H. Nienhaus et al., PRL 82, 446 (1999). H. Nienhaus, Surf. Sci. Rep. 45, 1 (2002).

    Electron-Hole Pair Creation by Chemisorption:Experimental Evidence

    chemo-luminescenceexo-electron emission

    SiO

    Au

    Ichem

    2

    metal

    Si-wafer

    chemicurrent

    Ichemmetal

    H

    e-

    h FE

    Si

    H

    metal

  • tota

    l ene

    rgy

    unpolarized

    polarized

    surfaceOppenheimerBorn-

    distance

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������Φ

    vacuum

    effe

    ctiv

    e po

    tent

    ial v

    z

    BO

    tota

    l en

    erg

    y

    reaction coordinate

    Mechanism of Electron-Hole Pair Excitation

    adsorbatestate ofexcited

    eh-pairsexited

    in thesolid

    See also: J.R.Trail et al. PRL 88, 166802 (2002).

    and ionsof combined motions of electronsdirect molecular dynamics simulation

    loss of spin polarisation: slow tunneling process

    electronic friction

  • ������� ��� �����

    ��

    ���

    ��� ���� �� ������ ����� ���

    ������

    ���

    ���� ��� ������

    ����� ��� .

    adiabatic approx. for exchange and correlation (on top of LDA, GGA):

    , thus

    ��

    ������� �� � �

    ���

    ������ �� � �������� �� ������� ��

    ���� �� �

    �� ����

    ������ ����

    �������� �� �� � ���� �� ������� ��

    ��� ������� �

    ������

    ���� ��

    time-dependent electron density from self-consistent solutionfor a system of non-interacting fermions(E. Runge, E.K.U. Gross, W. Kohn):

    motion of ions treated classically (Newton’s equation of motion)no entangled states

    Simulation of the Combined Motion of Electrons and Ions

  • 0 10 20 30 40time t [fs]

    −0.009

    0.001

    0.011

    0.021

    velo

    city

    v, f

    orce

    f [a

    tom

    ic u

    nits

    ]

    H/Al(111) on top 2sqrt(3) x 2sqrt(3) SUC, Ecut = 10 Ry, 1 k−point only

    v: velocity of H−atomF*0.1: (non−adiabatic) force(F−FBO)*10(E−EBO)*10: dissipation

    −6 −4 −2 0 2electron energy ε wrt. EF [eV]

    −10

    −5

    0

    5

    ln (

    DO

    S)

    electronic energy spectrum after one H−oscillation(2√3 × 2√3) H/Al(111) on−top, Ecut=10Ry, 1k−point

    after one oscillation (mol.−dyn.)after relaxation to BO−surface

    Gaussian broadening 0.05 eV

    H/Al(111) On-Top Adsorption:Electronic Friction

    Dissipate of the order of 36 meV during the first H-oscillationinto electron-hole pair excitations.

    improved.Simulations computationally rather demanding. Convergence has to be