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系統識別號 U0026-0812200913384025
論文名稱(中文) 利用密度泛函數理論來研究HS-R( R=H,CxH2x+1,x=1~8 ) 在Ga-Rich GaAs (100) 表面上的反應機制
論文名稱(英文) Using density functional theory to study the reaction mechanism of HS-R( R=H,CxH2x+1,x=1~8 ) on the Ga-Rich GaAs(100) surface
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 化學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生(中文) 施旻宏
研究生(英文) Min-hung Chih
學號 l3694115
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 61頁
口試委員 指導教授-王小萍
口試委員-施良垣
口試委員-黃守仁
中文關鍵字 砷化鎵  密度泛函數理論 
英文關鍵字 GaAs  DFT 
學科別分類
中文摘要 硫化氫分子在Ga-Rich GaAs表面上的反應機制可以分成三個步驟:吸附、斷鍵、脫附。首先,硫化氫分子利用S原子上的孤對電子與Ga原子上的未填滿4p軌域形成配位鍵,進而吸附於Ga-Rich GaAs表面,所形成的結構稱為H2S-ad。
接著,硫化氫分子上的氫原子得到適當之能量後斷鍵,分別可能經過H2S-trans-TS-A、H2S-trans-TS-B、H2S-trans-TS-C與H2S-trans-TS-D四種過渡態結構,與Ga-Rich GaAs表面上的Ga或As原子產生鍵結,所獲得的產物分別為H2S-trans-A、H2S-trans-B、H2S-trans-C與H2S-trans-D 四種穩定結構。此四種穩定態結構亦可以互相轉換。最後,吸附在GaAs表面上的硫化氫分子完全脫去氫氣,剩下S原子以架橋形式在GaAs表面上形成穩定態結構,此為H2S-de。藉由天然鍵性軌域(Natural Bond Orbital,NBO)分析,可以發現電子非定域化對這些分子結構的穩定性佔有重要地位。

在硫化氫分子與Ga-Rich GaAs表面反應中,空氣中的水分子是此反應主要的競爭者,一旦GaAs表面產生氧化物,如As-O或Ga-O,則此類氧化物很容易從表面離去,造成GaAs表面缺陷。利用與硫化氫分子相同的計算方法,發現在H2O-ad結構中,水分子吸附能力大於硫化氫分子(水分子較硫化氫分子在相對能量上約穩定了8.028 Kcal/mol),雖然硫化氫分子在斷鍵步驟中的活化能比水分子低。這樣的結果顯示,水分子是透過H2O-ad的結構來與硫化氫分子競爭。
我們利用直鏈烷基單取代硫醇分子來取代硫化氫分子,經由計算結果,發現可以增加HSR分子在GaAs表面上的吸附能力,進而減少水分子的競爭。此外,烷基碳鏈越長,則S原子與Ga原子之間的配位鍵強度會越強,所得之HSR-ad產物的相對穩定能會越好。當烷基碳鏈達三個或以上時,HSR-ad分子的吸附能力就會比水分子的還要好,而透過斷鍵步驟形成HSR-trans-A、HSR-trans-B、HSR-trans-C、HSR-trans-D的活化能也比水分子低,可以有效降低環境中水分子的競爭。
英文摘要 There are three steps involved in the reaction of H2S and Ga-rich GaAs: adsorption, breakage of S-H bond and desorption. The S-bridged product obtained via two possible transition states H2S-trans-A and H2S-trans-D have been verified by density functional theory and natural bond orbital studies. Moreover, competition between H2S and H2O has also been studied. The adsorption of H2S onto the Ga-rich GaAs can also be found by stabilization energies acquired via DFT calculations, which indicates absoprption of H2O is thermodynamically favored by near 8.028 kcal/mol. However, the breakage of O-H bond is kinetically disfavored by 18.982 kcal/mol.

The capabilities for absorption of HSR might be enhanced by varying the length of R. We propose that using alkanethiols with R groups greater or equal to propyl will give the best inertness of adsorption of Ga-rich GaAs by water. This is derived from examination of the activation energies of all possible transition states (HSR-trans-TS-A, HSR-trans-TS-B, HSR-trans-TS-C and HSR-trans-TS-D).
論文目次 中文摘要…………………………………………………………………………....I
英文摘要....................................................................................................................III
謝誌............................................................................................................................IV
目錄............................................................................................................................V
圖目錄........................................................................................................................VII
表目錄........................................................................................................................VIII
第一章 緒論………………………………………………………………………….1
第二章 理論背景…………………………………………………………………….4
2-1前言………………………………………………………………………….…4
2-2硫可降低砷化鎵表面狀態的原理 ……….…………………………………..4
2-3配位鍵 ………………………………………………………………………...6
2-4計算理論 ……………………………………………………………...………7
2-4-1基底集合(basis set) …. ……………………………………………..7
2-4-2密度泛函理論 (Density Functional Theory) …..……………………….9
2-4-3天然鍵結軌域(NBO) ….....………………………….....………...…….11
第三章 計算方法…...…………………………………………………………….....15
3-1計算軟體………..………………….……………………………….....………15
3-1-1 GaussView 3.0 ..……………………………………………..………..15
3-1-2 Gassian 98 ………………………………………………………………15
3-2採用的計算條件 …………………………………………………….………16
3-3計算流程 …………………………………………………………………….16
3-4 計算指令 …………………………………………………………..………..17
3-5幾何最佳化的目的 ………………………………………………………….18
3-6計算分子模型 ……………………………………………………………….19
3-6-1 計算所使用之砷化鎵分子模型 ………………………………….……19
3-6-2 硫化氫分子與水分子吸附於砷化鎵分子的表面模型 …….…………20
第四章 結果與討論 ………………………………………………………………..26
4-1比較硫化氫分子於Ga-Rich GaAs與As-Rich GaAs表面所發生的吸
附反應 ………………………………………………………………………29
4-2 硫化氫分子於Ga-Rich GaAs 表面所發生的轉移反應 ……………..……33
4-3 硫化氫分子於Ga-Rich GaAs 表面進行轉移反應後,穩定態結構之
間的轉換 ……………………………………………………….…..……….37
4-4 硫化氫分子於Ga-Rich GaAs 表面所進行的脫附反應 …………………..39
4-5 硫化氫分子於Ga-Rich GaAs 表面最有可能進行之反應路徑 …..………39
4-6 硫化氫分子於Ga-Rich GaAs表面反應計算與實驗的比較 ………..…….40
4-7透過 E(2)值來瞭解電子非定域化對反應相對能量的影響 ………...… …41
4-8水分子於Ga-Rich GaAs表面所進行的吸附反應 …………………………43
4-9直鏈烷基單取代硫醇分子於 Ga-Rich GaAs 表面所進行的吸附反
應和轉移反應 ………………………………………………………………..44
第五章 結論 ………………………………………………………………………..46
參考文獻 ……………………………………………………………………………60
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