DFT-моделювання протонування молекул аміаку на поверхні кремнію р-типу

У роботі проводилося DFT-моделювання з метою встановлення умов, необхідних для протонування молекул аміаку на поверхні кремнію. Моделювання показало, що для того, щоб протонування було енергетично вигідним, необхідно виконання трьох умов: закріплення молекул NH3 хоча б на двох ОН-групах, участь одної молекули води та наявність віддаленого атома бору. В цьому випадку енергія протонування (різниця між енергіями модельного кластера в непроторованому і протонованому станах) Eprot  0,01 еВ. Протонування відбувається при одночасному переході двох протонів: від поверхневої силанової групи до молекули Н2О та від Н2О до NH3. Такий перехід веде до утворення позитивно зарядженого іона NH4+ та негативно зарядженого pb-центра. Після цього відбувається перехід електрона від pb-центра до віддаленого атому бору, тобто його пасивація. Саме пасивація акцепторної домішки іонами NH4+ може призводити до зниження концентрації вільних дірок та провідності кремнієвих структур р-типу. Запропонована модель протонування молекул NH3 також може пояснити процеси поверхнево стимульованої лазерній десорбції-іонізації (SALDI). Вільні дірки, утворені під дією лазерного випромінювання, можуть рекомбінувати з електроном, локалізованим на атомі бору, тобто знімати його негативний заряд. Після цього енергія десорбції NH4+ знижується від 3,75 до 1,05 еВ, що є близьким до експериментально отриманих значень енергій лазерної десорбції іонів аміносполук. Моделювання також показало, що відсутність віддаленого атома бору суттєво знижує ефективність протонування, Eprot  – 0,50 еВ, оскільки негативний заряд зосереджується не на віддаленому атомі бору, а на pb-центрі, розміщеному поруч з NH4+. Значне кулонівське притягання між іоном NH4+ та зарядженим pb-центром веде до суттєвого зміщення атома кремнію, що є енергетично невигідним. Закріплення молекул NH3 лише на одній ОН-групі та відсутність проміжної молекули води також роблять протонування малоймовірним: значення Eprot в цих випадках становлять – 0,37 і – 0,08 еВ, відповідно. Це можна пояснити тим, що молекули Н2О і ОН-групи створюють енергетично вигідні водневі зв’язки з іоном NH4+ та екранують його електричне поле.