Structures of quasi-freestanding ultra-thin silicon films deposited on chemically inert surfaces

化学的に不活性な固体表面に蒸着した基板と相互作用の少ないシリコン極薄膜の構造

馬場 祐治  ; 下山 巖   ; 平尾 法恵; 関口 哲弘  

Baba, Yuji; Shimoyama, Iwao; Hirao, Norie; Sekiguchi, Tetsuhiro

原子レベルで平坦であり、かつ化学的に不活性な表面を持つサファイアおよび高配向熱分解グラファイト(HOPG)表面にシリコンを蒸着し、その構造を直線偏光した放射光軟X線を用いたX線吸収分光法により調べた。厚みが0.2層より薄い試料について、シリコンK吸収端のX線吸収スペクトルを測定したところ、シリコン1s軌道から価電子帯の非占有軌道および軌道への共鳴励起によるピークが観測された。これらのピーク強度の偏光依存性を解析した結果、軌道の向きは表面に垂直であることがわかった。このことから、極薄のシリコンは基板と相互作用の小さいsp2軌道を持つグラフェンと類似の構造をとりうることが明らかとなった。

Silicon thin films were deposited on a sapphire and a highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), which have atomically flat and chemically inert surfaces. The electronic and geometrical structures of the films were analyzed by polarization-dependent X-ray absorption fine structure (XAFS). It was found that the silicon K-edge XAFS spectra for ultra-thin silicon films thinner than 0.2 monolayer exhibited two distinct resonance peaks which were not observed for bulk silicon. The peaks were assigned to the resonance excitations from the Si 1s into the valence unoccupied orbitals with and characters. The average tilted angle of the orbitals was determined by the polarization dependencies of the peak intensities. It was demonstrated that direction of a part of the orbitals in silicon film is perpendicular to the surface. These results support the existence of quasi-freestanding single-layered silicon films with sp2 configuration.