Adsorption of H₂O and H₂S on the (100) surface of silicon. A theoretical study

¹ Dipartimento di Chimica, Università di Napoli via Mezzocannone 4, I-80134 Napoli, Italy.
² Dipartimento di Chimica, Università della Calabria I-87030 Arcavacata di Rende (Cosenza), Italy.

Abstract

The interaction of H₂O and H₂S with the (100) surface of silicon has been studied by the MNDO method employing finite model clusters to simulate the substrate. Both molecular and dissociative processes have been investigated. Chemisorption of heavy atoms (isolated or belonging to molecular fragments) occurs preferentially at bridge positions, whereas chemisorption of hydrogen occurs preferentially at on-top positions. Dissociative chemisorption represents the best process from a thermodynamic point of view both for H₂O and H₂S, but involves not negligible potential energy barriers, so that also molecular chemisorption can be observed. The dissociative process leads essentially to OH and H chemisorbed species in the case of water, but to S and two hydrogen atoms (on the same silicon) in the case of H₂S.

Résumé

L’interaction de H₂O et H₂S avec la surface du silicium a été étudiée par la méthode MNDO dans le cadre du modèle des agrégats. On a considéré les processus moléculaire et dissociatifs. La chimisorption des atomes lourds (isolés ou engagés dans des fragments moléculaires) a lieu surtout sur les positions en « pont », alors que l’hydrogène préfère les positions en « sommet ». La chimisorption dissociative est le processus le plus avantageux du point de vue thermodynamique, mais comporte des barrières d’énergie potentielle importantes, de sorte que la chimisorption moléculaire peut aussi être observée. La dissociation de la molécule d’eau conduit de préférence à la formation des espèces H et OH, mais les espèces S et H (deux atomes adsorbé sur le même atome de silicium) sont préférées dans le cas de H₂S.