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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.46.2018.tde-19092018-111837
Documento
Autor
Nome completo
Leonardo Tsuyoshi Ueno
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2002
Orientador
Banca examinadora
Ornellas, Fernando Rei (Presidente)
Custódio, Rogério
Nigra, Jose Manuel Riveros
Silva, Antonio Jose Roque da
Silva, Elson Longo da
Título em português
Uma investigação teórica de aglomerados de silício e nitrogênio e da incorporação de átomos de nitrogênio na superfície do silício
Palavras-chave em português
Ab initio
Átomos de hidrogênio
Funcional da densidade
Química de superfície
Si(100)
Si3N2
Silício (Estudo; Química)
Silicon nitridation
SiNN
Resumo em português
Nesta tese, utilizamos técnicas de química quântica para o estudo de sistemas contendo átomos de silício e nitrogênio. Nesse contexto, o trabalho aqui apresentado procurou concentrar-se em três tópicos principais: aglomerados de silício e nitrogênio, a superfície Si(100) e a interação de um átomo de nitrogênio com essa superfície. Estudamos inicialmente os aglomerados de fórmula SiNN e Si3N2, onde procuramos caracterizar de forma rigorosa a estabilidade e a natureza das ligações químicas das várias espécies. Com relação ao sistema SiNN, os resultados utilizando cálculos de alto nível mostraram a necessidade de novos dados experimentais para a caracterização inequívoca dessa espécie. Além disso, obtivemos os primeiros resultados para as propriedades de quatro novas estruturas. Estudamos a estrutura de várias espécies com fórmula Si3N2, e obtivemos como mínimo global uma estrutura planar contendo apenas ligações Si-N. Para a simulação da superfície Si(100) utilizamos os aglomerados de fórmula Si9H12 e Si15H16. Apenas a metodologia do Funcional da Densidade indicou a existência de uma estrutura distorcida para o Si9H12. Os cálculos CASSCF mostraram a necessidade do uso de funções multideterminantais. Com relação ao aglomerado Si15H16, obteve-se uma estrutura distorcida com os dímeros alternados como a forma mais estável. Entretanto, o uso do CASSCF mostrou ser a forma simétrica a mais estável. Com base no estudo dos aglomerados Si9H12 e Si15H16, partimos para a investigação dos mecanismos envolvidos no processo de interação e incorporação de átomos de nitrogênio na superfície de silício. Estruturas com simetria de spin quarteto e dupleto foram estudadas, sendo os mecanismos bastante semelhantes, com o nitrogênio interagindo inicialmente com um dos silícios dímeros para em seguida poder formar duas outras estruturas, uma com o nitrogênio ligado aos dois silícios dímeros e outra com o nitrogênio inserido no interior do aglomerado. Esta última estrutura corresponde à forma mais estável. Os resultados mostram claramente que a reação é bastante favorável do ponto de vista energético. Questionamos também o uso de vínculos durante a otimização das estruturas por impedir um devido relaxamento apropriado dos átomos de silício da primeira e segunda camadas.
Título em inglês
A theoretical investigation of silicon and nitrogen clusters and the incorporation of nitrogen atoms into the silicon surface
Palavras-chave em inglês
Ab initio
Chemistry)
Density functional
Hydrogen atoms
Si(100)
Si3N2
Silicon (Study
Silicon nitridation
SiNN
Surface chemistry
Resumo em inglês
In this thesis, quantum chemical techniques were used to study molecular systems containing silicon and nitrogen atoms. ln this context, the work was concentrated on three main topics: silicon-nitrogen clusters, the Si(100) surface, and the interaction of a nitrogen atom with that surface. We studied initially the clusters SiNN and Si3N2, where we tried to characterize with rigour the stability and the nature of the chemical bonds of the various species. Concerning the system SiNN, using high level calculation, the results showed the necessity of new experimental data for the unequivocal characterization of this species. Moreover, the properties of four new structures were described for the first time in this study. The structures of various species with formula Si3N2 were studied, and the global minimum corresponds to a planar structure containing only Si-N bonds. For the simulation of Si(100) surface, the clusters Si9H12 and Si15H16 were used. Density Functional Theory predicted the existence of an asymmetric geometry for the Si9H12 cluster. The CASSCF calculations showed the necessity of using multideterminantal wave functions. Concerning the Si15H16 cluster, the most stable structure corresponds to a distorted one with alternated dimers. However, the CASSCF methodology showed that the symmetric structure is the most stable. Based on the results for the Si9H12 and Si15H16 clusters, we started to investigate the mechanism involved in the interaction and incorporation of a nitrogen atom into the silicon surface. Structures with quartet and doublet spin symmetry were studied, being their mechanisms very similar, with the nitrogen atom interacting initially with one silicon dimer; after that two other structures can be formed, one with the nitrogen bonded to two silicon dimers, and the other with the nitrogen bonded to one silicon dimer and two internal silicons. This last structure corresponds to the most stable species. The results show clearly that the reaction is very favorable energetically. The use of geometrical constraints during the optimization was questioned since it prevents the proper relaxation of the silicon atoms in the first and second layers.
 
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Data de Publicação
2018-09-19
 
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