Estabilidad térmica de monocapas orgánicas enlazadas a Si(111): estudio de dinámica molecular reactiva y DFT.

F. A. SORIA; P. PAREDES OLIVERA; E. M. PATRITO

Merlo, San Luis

Congreso; 100a Reunión Nacional de la Asociación Física Argentina.; 2015

Asociación Física Argentina

Las monocapas orgánicas covalentemente enlazadas a superficies de silicio representan un tema de fundamental interés debido a que tales capas pueden ser utilizadas como un dieléctrico delgado, como barrera de protección o para el uso en la microelectrónica. La funcionalización es de interés en el desarrollo de sensores químicos o bioquímicos. Una cuestión clave para este tipo de aplicaciones es la estabilidad química y térmica de las monocapas. En trabajos anteriores se investigó la estabilidad química de superficies hidrogenadas y alquiladas Si (111) (1, 2) hacia especies oxidantes utilizando TeoríaFuncional de la Densidad. En este trabajo hemos empleado dinámica molecular reactiva utilizando el campo de fuerza ReaxFF con el fin de comprender los mecanismos de descomposición térmica de −CH3, −CH2CH3, −CH2CH2CH3,−CH2(CH2)2CH3, −CH2(CH2)3CH3 y −CH2(CH2)8CH3 enlazadas a la superficie de Si (111). Un cubrimiento teórico máximo de alrededor de 69 % se predijo (3) para monocapas alcano sobre Si (111), lo que implica que átomos de siliciohidrogenados todavía permanecen en la superficie. La única excepción es la monocapa −CH3, en la que cada átomo de Si de la superficie está unido a un grupo metilo. Los grupos SiH superficiales juegan un papel clave en la estabilidad delas monocapas. La descomposición térmica de las monocapas se investigó en el intervalo de temperatura de 500 a 1500 K. El primer paso en el mecanismo de descomposición implica la ruptura de enlaces Si-H superficiales y la difusión delos átomos de hidrógeno hacia el bulk, dejando radicales sililo en la superficie. Estos radicales abstraen un átomo de H del grupo CH2 de átomos de carbono beta y produce la desorción de moléculas de alqueno. A medida que avanza lareacción, el cubrimiento superficial de moléculas orgánicas disminuye y esto permite que las moléculas se encuentran en la superficie interaccionen con los radicales slilo superficie. Esto inicia la deshidrogenación de todos los grupos metileno.A las temperaturas más altas se produce una deshidrogenación completa dando lugar a la formación de carburo de silicio en la superficie. La superficie con un 100 % de cubrimiento −CH3 posee una estabilidad térmica excepcional debido a laausencia de grupos SiH. Por esta monocapa, la deshidrogenación del grupo metilo se produce por una transferencia H al átomo de Si unido al átomo de C, lo cual tiene una barrera de energía mucho más alta que la transferencia de un átomo deH de un grupo metileno a un radical sylil adyacente como es el caso de las monocapas de cadena larga. Para las etapas de reacción elementales más relevantes identificados en las simulaciones MD, se realizaron cálculos de Neb basadas en DFT con el fin de obtener el perfil de energía a lo largo del camino de reacción a partir del cual se calculan las barreras de energía de activación.