Doping of the hydrogen-passivated Si(100) electronic structure through carborane adsorption studied using density functional theory

文献情報

出版日 2021-08-25
DOI 10.1039/D1CP01654G
インパクトファクター 3.676
著者

Martin Hladík, Antonín Fejfar, Héctor Vázquez


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要旨

Adsorption of molecular materials with tailored chemical properties represents a new and promising avenue to non-destructively dope silicon. Dithiocarboranes possess large permanent dipoles and readily form stable monolayers on a variety of substrates. Here we use density functional theory to investigate the doping of hydrogen-passivated Si(100) substrates through the adsorption of dithiocarborane molecules. We find that dithiocarboranes can both physisorb and chemisorb on the substrate. Chemisorbed structures arise when a S atom in the molecular linker group replaces a surface H atom. We establish the formation of these Si-molecule bonds and characterize their mechanical and thermal stability. Analysis of the calculated electronic structure of adsorbed interfaces shows that carborane adsorption does not result in interface gap states. The band gap in adsorbed junctions is defined by Si states and its magnitude is almost unchanged with respect to the clean Si slab. The large carborane electrostatic dipole results in the downwards shift of Si spectral features by 0.3 eV, reducing the hole injection barrier by this amount with respect to the pristine Si substrate. Molecular dynamics simulations reveal these structural and electronic features to be stable at room temperature. Our work shows that molecular adsorbates having large electrostatic dipoles are a promising strategy to non-destructively dope semiconductor substrates.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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