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系統識別號 U0002-0702200912424000
中文論文名稱 InN吸附於Rutile TiO2(110)表面的電子性質理論研究與CH3NH2在Si(100)表面解離吸附反應及分子動態模擬IR光譜
英文論文名稱 Theoretical studies for electronic properties of InN adsorption on Rutile TiO2(110) surface & Dissociative adsorption of CH3NH2 on Si(100)surface and molecular dynamic simulated IR spectra
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 97
學期 1
出版年 98
研究生中文姓名 張耕嘉
研究生英文姓名 Gung-Jya Jang
學號 695160217
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-01-09
論文頁數 132頁
口試委員 指導教授-林志興
委員-江志強
委員-許文賢
中文關鍵字 分子動態模擬  解離吸附反應  電子性質  光譜 
英文關鍵字 IR spectra  molecular dynamic  Si(100) surface  Rutile TiO2 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 本論文分為兩部份,第一部份中我們使用密度泛函理論計算軟體CASTEP搭配 GGA 層級的交換相關泛函、ultra-soft 方案之虛位勢及平面波基底來計算InN(氮化銦)吸附在Rutile TiO2(110)-1x1與2x1表面後的電子性質並與過去InN吸附在Anatase TiO2(101)表面的結果做比較。結果顯示出當InN以1.0ML覆蓋率吸附在2x1表面上時,
其結構與吸附能雖與1x1 表面的計算結果有些差距,但其電子性質
(能隙、態密度分佈)皆顯示出 InN- Rutile TiO2(110)的組合並不適合作為染料敏化太陽能電池中將可見光能吸收並將InN上基態電子激發並注入至TiO2內之機制發生的平台。另外從不同覆蓋率的計算結果也能得到相同的結論。上述現象是因為在吸附之前Anatase(101)表面即有明顯且與InN類似的軌域分佈,這使得吸附後系統呈現出來的態密度分佈相當適合電子在InN與TiO2之間的傳遞;反之Rutile(110)表面本身的軌域分佈並不明顯,所以在吸附後的態密度分佈並不適合前述傳遞機制進行。

在第二部份則使用密度泛函理論計算軟體SIESTA搭配GGA層級的交換相關泛函、Troullier-Martin方案之虛位勢及AO 基底來探討NH2CH3在 Si(100)表面上的解離吸附反應與分子動態模擬光譜。根據計算結果,NH2CH3會傾向於解離吸附在同一個 Si=Si dimer上,因為同樣在過渡態時,one-dimer途徑中的 N-H鍵斷裂程度比cross-dimer途徑來得小,所以付出的活化能較低。從模擬光譜的計算結果中我們發現其與實驗光譜有相當好的相似性,並且也發現Si-H鍵的振動模式會受到NHCH3官能基在Si 表面上運動所影響而呈現不同的振動頻率。而改變表面大小與溫度所得到的光譜也顯示出若我們在計算中考慮進表面運動與溫度效應,最後得到的光譜確實會更為接近實驗結果。
英文摘要 In section I, DFT based calculation package(CATEP),GGA level exchange-correlation functional, ultra-soft pseudopotential, and plane-wave basis set were used to study the electronic properties of InN adsorbed Rutile TiO2(110)-1x1 and 2x1 surfaces. Our results showed that although changes of surface size and adsorption coverage might result in differences of adsorption structure and Eads, but the analysis of density of states indicates that the combination of InN and Rutile TiO2(110) is not propriate for the electron-injection process form InN to TiO2. By comparing with the results of InN-Anatase TiO2(101) systems, we found that the lack of overlap of orbital density between InN and TiO2 is the reason why InN-Rutile TiO2(101) composites are not siut for electron transfer from InN into TiO2, i.e., the orbital density populations of Rutile TiO2(110) and Anatse TiO2(101) would take control of the electronic properties of InN-TiO2.

In section II, DFT in connection with GGA level exchange-correlation functional, pseudopotential of Troullier-Martin scheme, and
AO basis set were used to study the dissociation reaction of NH2CH3 molecule on Si(100)-4x4 surface. According to the result, instead of cross-dimer pathway, NH2CH3 would dissociate through one-dimer pathway after adsorbsion on Si(100) which has lower activation barrier. Our MD simulated IR spectra showed good similarity with the experimental results. Also, we found that the stretching motion of Si-H bond might be afftect by the NHCH3 fragment on Si(100) surface and leads to different absorbsion frequencies. Finally, from the simulated spectra of Si(100) surface in smaller size and of those under low
temperature, we know that by considering the surface motion effect from Si(100) surface and the temperature effect we can obtain simulated spectra closer to the experimental results.
論文目次 目錄
第一章 前言
1.1 InN吸附於TiO2 Rutile(110)表面的電子結構研究-----------------------------------------------1

1.2 Methylamines在Si(100)表面的吸附反應與模擬紅外光譜--------------------------------4
第二章 計算方法與分析工具簡介
2.1固態材料電子結構理論------------------------------------------------------------------------------------------------6
2.1.1 密度泛函理論-----------------------------------------------------------------------------------------------------7
2.1.2 週期性系統的處理------------------------------------------------------------------------------------------11
2.1.3 虛位勢-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------14

2.2 態密度分析(DOS)--------------------------------------------------------------------------------------------------------16

2.3 分子動態模擬計算方法---------------------------------------------------------------------------------------------18
2.3.1 Born-Oppenheimer分子動態模擬與Hellmann-Feynman力理論-------18
2.3.2 統計力學模擬系集------------------------------------------------------------------------------------------21

2.4 時間相關函數與模擬紅外光光譜---------------------------------------------------------------------------26
2.4.1 時間相關函數與振動光譜的連結---------------------------------------------------------------26
2.4.2 相關函數的定義-----------------------------------------------------------------------------------------------27
2.4.3 分子動態模擬紅外光譜的產生程序與解析方法------------------------------------28

第三章 InN吸附於Rutile TiO2(110)表面的電子性質理論研究
3.1 染料敏化太陽能電池與TiO2表面簡介-----------------------------------------------------------------32

3.2 Rutile TiO2(110)表面及各種吸附模式結構的建立----------------------------------------------38
3.2.1 TiO表面的建立¬與計算參數測試----------------------------------------------------------------38
3.2.2 InN在Rutile TiO2(110)-1x1表面的吸附結構及吸附能------------------------45
3.2.3 InN在Rutile TiO2(110)-1x1表面的態密度分析-------------------------------------48

3.3 InN吸附於Rutile TiO2(110)-1x1與2x1表面的比較-----------------------------------------53
3.3.1 InN以1.0ML在Rutile TiO2(110)-1x1與2x1表面的吸附能與態密度分析比較------------------------------------------------------------------------------------------------------------54
3.3.2 InN以0.5ML、1.0ML在Rutile TiO2(110)-2x1表面的吸附能與態密度分析比較--------------------------------------------------------------------------------------------------------62
3.3.3 綜合結果討論---------------------------------------------------------------------------------------------------70

3.4本章總結-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------75

第四章 CH3NH2在Si(100)表面解離吸附反應及分子動態模擬光譜
4.1 Si(100)半導體表面及其與NH2CH3之反應簡介--------------------------------------------------77

4.2 Si(100)表面模型建立及CH3NH2解離吸附反應途徑-----------------------------------------83
4.2.1 Si(100)表面的建立及計算參數測試-----------------------------------------------------------83
4.2.2 CH3NH2在Si(100)表面不同的解離吸附結構及吸附能------------------------86
4.2.3 CH3NH2在Si(100)表面的各種產物之反應途徑、過渡態搜尋及態密度分析-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------89
4.2.4 CH3NH2以不同途徑進行解離吸附的結構與態密度變化之比較----100

4.3 CH3NH2吸附於Si(100)表面上的分子動態模擬光譜---------------------------------------102
4.3.1 Si(100)表面的分子動態模擬光譜-------------------------------------------------------------102
4.3.2 CH3NH2在Si(100)-4x4表面上one-dimer解離吸附後產物的分子動態模擬光譜-----------------------------------------------------------------------------------------------------105
4.3.3 Si表面大小與週期性運動對於模擬光譜的影響----------------------------------114
4.3.4 系統溫度高低對於模擬光譜的影響-------------------------------------- ------------------119
4.3.5 收集動態資訊時間的長短對模擬光譜的影響-----------------------------------------125
4.3.6 基底函數層級對結構與吸附能的收斂測試---------------------------------------------126


4.4 本章總結----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------128

參考文獻--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------130

圖目錄
圖1-1 染料敏化太陽能電池的運作原理-----------------------------------------------------------------------------2

圖2-1 真實位勢及其對應的真實波函數(藍色虛線),與虛位勢及其對應的虛波函數(紅色實線)。--------------------------------------------------------------------------------------------------------------16

圖2-2 由於在固態材料的原子數相當多,所以隨著原子數增加,系統的分子軌域數目將會非常龐大,而成為能帶,我們可以用分子軌域的觀念來了解態密度。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------17

圖2-3 本論文中產生模擬振動光譜之程序。--------------------------------------------------------------------29

圖3-1 以InN作為敏化分子與Grätzel等人研發出來的敏化分子所測得的UV-vis光譜之比較圖。------------------------------------------------------------------------------------------------------------33

圖3-2 能帶結構與態密度分析之間的對照示意圖,在右邊的DOS中,我們可以透過對個別原子投影來得到其部份態密度分佈,藉此得知在某一個能量範圍中,各個原子所貢獻出能態的多寡。-----------------------------------------------------------------34

圖3-3 TiO2的三種晶體結構,分別為 (a)Anatase,(b)Rutile及 (c)Brookite。
其中紅色為O原子,紫色為Ti原子。---------------------------------------------------------------------35

圖3-4 (a) Anatase(101)及(b) Rutile(110)表面的態密度分析圖。Anatase(101)的能隙經過校正後為3.2eV;Rutile(110)則是3.0eV。--------------------------------------------------38

圖3-5 使用650eV的截止動能計算Rutile TiO2塊材所得到的晶格常數與實驗值的誤差。--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------40

圖3-6 計算Rutile TiO2 塊材所使用的k點取樣及得到的能帶結構圖。由圖中我們可以知道Rutile TiO2的能隙是屬於direct band gap。------------------------------------40

圖3-7 結構最佳化之後的Rutile TiO2(110)-1x1表面,右圖為我們區分表面中各層的示意圖。(紅色為氧原子,紫色為鈦原子。) --------------------------------------------------41

圖3-8 Rutile(110)-1x1表面中二配位氧與五配位鈦的態密度分析圖。藍色實線與紅色實線分別代表五配位鈦原子與二配位氧原子,灰色虛線為總態密度。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------42
圗3-9 經結構最佳化後的Rutile(110)-2x1表面。(紅色為氧原子,紫色為鈦原子。)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------43

圖3-10 Rutile TiO2(110)-2x1表面之態密度分析圖。圖中藍色,紅色及綠色實線分別代表表面的五配位鈦原子,二配位氧原子及塊材層,灰色虛線為總態密度。------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------44

圖3-11 InN-Ocn2 end-on經結構最佳化計算後的結構,在此為了方便觀看,我們將表面圖示放大為2x2。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。--------------------------------------------------------------------------------------------46

圖3-12 InN-Ticn5 end-on經結構最佳化計算後的結構,在此為了方便觀看,我們將表面圖示放大為2x2。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。--------------------------------------------------------------------------------------------46

圖3-13 Ocn2-InN-Ticn5 side-on模式經結構最佳化計算後的結構,在此為了方便觀看,我們將表面圖示放大為2x2。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。-------------------------------------------------------------------------47

圖3-14 InN塊材經計算之後所得到的態密度分析圖。--------------------------------------------------49

圖3-15 InN-Ocn2 end-on模式的態密度分析圖。其中紅、藍、綠線分別是InN、表面、塊材層的部分態密度。----------------------------------------------------------------------------------------50

圖3-16 InN-Ticn5 end-on吸附模式的態密度分析圖。------------------------------------------------------51

圖3-17 Ocn2-InN-Ticn5 side-on吸附模式的態密度分析圖。--------------------------------------------51

圖3-18 N原子與二配位的O原子的投影態密度疊圖。-------------------------------------------------52

圖3-19 InN以InN-Ocn2 end-on模式吸附於ruitle TiO2的收斂結構。(a)為1x1表面放大2倍,(b)為2x1表面。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。----------------------------------------------------------------------------------------55

圖3-20 InN以InN-Ocn2 end-on模式吸附於ruitle TiO2部分態密度圖。(a)為1x1表面,(b)為2x1表面。-------------------------------------------------------------------------------------------------56

圖3-21 InN以InN-Ticn5 end-on模式吸附於ruitle TiO2的收斂結構。(a)為1x1表面放大2倍,(b)為2x1表面。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。----------------------------------------------------------------------------------57

圖3-22 InN以InN-Ticn5 end-on模式吸附於ruitle TiO2部分態密度圖。(a)為2x1表面,(b)為1x1表面。-------------------------------------------------------------------------------------------------58

圖3-23 InN以Ocn2-InN-Ticn5 side-on模式吸附於Ruitle TiO2的收斂結構。(a)為1x1表面放大2倍,(b)為2x1表面。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。------------------------------------------------------------------------------59

圖3-24 InN以Ocn2-InN-Ticn5 side-on模式吸附於ruitle TiO2部分態密度圖。(a)為2x1表面,(b)為1x1表面。----------------------------------------------------------------------------------------60

圖3-25 InN-Ocn2 endon模式的收斂結構。(a),(b)之覆蓋率分別為0.5ML,1.0ML。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------63

圖3-26 InN-Ocn2 endon模式的各層部分態密度分析圖。(a),(b)之覆蓋率分別為1.0ML,0.5ML。----------------------------------------------------------------------------------------------------------64

圖3-27 InN-Ticn5 endon模式的收斂結構。(a),(b)之覆蓋率分別為0.5ML,1.0ML。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------65

圖3-28 InN-Ticn5 endon模式的各層部分態密度分析圖。(a),(b)之覆蓋率分別為1.0ML,0.5ML。----------------------------------------------------------------------------------------------------------66

圖3-29 InN-Ocn2 endon模式的收斂結構。(a),(b)之覆蓋率分別為0.5ML,1.0ML。圖中藍色為N原子,紅色為O原子,紫色為Ti原子,桃紅色為In原子。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------67

圖3-30 Ocn2-InN-Ticn6吸附模式的各層態密度疊圖。(a)為1.0ML,(b)為0.5ML。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------67

圖3-31 InN以0.5ML、1.0ML吸附在Rutile TiO2(110)-2x1表面後由各模式之能隙轉換成吸收波長與實驗光譜的對應圖。圖中X軸紅色部分表示可見光的範圍(400~700nm)。------------------------------------------------------------------------------------------------71
圖3-32 InN以1.0ML的覆蓋率吸附在Rutile TiO2(100)-2x1及1x1表面後,將系統能隙轉換成吸收波長與實驗吸收光譜的對照。---------------------------------------------72

圖3-33 InN以各種模式吸附在Anatase TiO2(101)-1x1及2x1表面後,系統的能隙轉換至吸收波長後與實驗吸收光譜的對應圖。--------------------------------------------------72

圖3-34 TiO2表面上的LUMO軌域分佈圖。(a)為Anatase表面,isosurface值為0.015[13] ; (b)為Rutile表面,isosurface值為0.001。--------------------------------------------74

圖3-35 InN以Ocn2-InN-Ticn5 side-on模式吸附在Anatase(101)與Rutile(110)表面上的吸附結構。(a)為Anatase(101)表面,N直接與Ticn5形成鍵結[13] ; (b)為Rutile(110)表面,N架橋在Ocn3與兩個Ticn5上。-------------------------------------------------74

圖4-1 (a) CH3NH2在Si(100)表面吸附後的IR光譜圖。(b) (CH3)2NH在Si(100)表面吸附後的X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)圖。----------------------------------78

圖4-2 Si以sp3混成建構出的塊材結構圖。------------------------------------------------------------------------82

圖4-3 Si(100)表面各露出兩個單電子軌域(空懸鍵)的Si原子經過兩兩鍵結而形成dimer使表面獲得穩定能量之示意圖。---------------------------------------------------------------82

圖4-4 Si(100)表面上Si原子經過結構重組之後呈傾斜非對秤狀的Si=Si dimer,dimer row之間的兩種排列方式之示意圖。(a)為dimer row間呈移動對秤,(b)為dimer row間成鏡像對秤。-------------------------------------------------------------------------------82

圖4-5 methylamine在Si(100)-4x4表面上的結構圖。----------------------------------------------------84

圖4-6 經過結構最佳化後的Si(100)-4x4表面之(a)側視圖及(b)鳥瞰圖,6層Si原子的最下一層以H原子飽和,共128顆原子。----------------------------------------------------84

圖4-7 Si(100)-4x4表面的部份態密度圖。灰色虛線為總態密度,綠色實線為第五層(塊材層),淺藍色實線為down-site Si原子,紅色實線為up-site Si原子。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------86

圖4-8 CH3NH2在Si(100)-4x4 表面的同一個dimer上透過斷N-H 鍵進行解離吸附反應後的產物(one-dimer product)。紅色橢圓標記的是其他dimer。-------------87

圖4-9 CH3NH2在Si(100)-4x4 表面的相鄰dimer row上透過斷N-H 鍵進行解離吸附反應後的產物(cross-dimer product)。---------------------------------------------------------------88

圖4-10 NH2CH3以N上孤立電子對吸附在Si表面上的示意圖,(a)為eclipsed結構,(b)為staggered結構。----------------------------------------------------------------------------------------91

圖4-11 使用部分結構限制法(PCM)來尋找one-dimer產物之反應途徑的過程示意圖。----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------92

圖4-12 one-dimer解離吸附反應過程之起始態(左邊)、過渡態(中上)及產物(右下)的系統總能量走勢圖,x軸為N原子與解離出之H原子的距離。-----------------92

圖4-13 CH3NH2尚未與Si表面產生作用時的部份態密度分佈圖。(橘色:up-site Si , 藍色:H , 綠色:N, 藍綠色:down-site Si) ---------------------------------------------------------------94

圖4-14 one-dimer反應途徑中(a)起始態、(b)過渡態及(c)產物的結構及其對應的
部份態密度圖。(橘色:up-site Si , 藍色:H , 綠色:N, 藍綠色:down-site Si) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------95

圖4-15使用部分結構限制法(PCM)來尋找one-dimer產物之反應途徑的過程示意圖。(a)、(b)分別是過渡態前、後的移動方式。-------------------------------------------------------97

圖4-16 cross-dimer解離吸附反應過程之起始態(左邊)、過渡態(中上)及產物(右下)的系統總能量走勢圖,x軸為N原子與解離出之H原子的距離。------------------98

圖4-17 cross-dimer反應途徑中(a)起始態、(b)過渡態及(c)產物的結構及其對應的部份態密度圖。(橘色:up-site Si , 藍色:H , 綠色:N, 藍綠色:down-site Si) -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------99

圖4-18 one-dimer與cross-dimer途徑中於過度態時的部分態密度圖。(a)為one -dimer途徑之過渡態,(b)為cross-dimer途徑之過渡態。(橘色:up-site Si , 藍色:H , 綠色:N , 藍綠色: down-site Si) ---------------------------------------------------------------101

圖4-19 Si(100)-4x4表面收集1ps的PaDAF經過傅立葉轉換得到的模擬IR光譜。---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------103

圖4-20 Si(100)-4x4表面上各方向1ps之內的PaDAF及Si=Si dimer的SCAF經過傅立葉轉換後所得到的光譜。-------------------------------------------------------------------------103

圖4-21 Si=Si dimer在y及z方向上的扭曲運動示意圖。--------------------------------------------104
圖4-22 Si(100)表面中觀察到的Si=Si dimer row在y方向上的聲子運動動態,其運動模式類似於繩梯狀的扭曲模式。----------------------------------------------------------------104

圖4-23 CH3NH2在Si(100)表面透過one-dimer解離吸附之產物經過相關函數的收集和傅立葉轉換之後所得到的模擬光譜。頻率範圍為1800 ~ 36 00cm-1。---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------106

圖4-24 Si-H鍵經由PaDAF方案以及非等項性PaDAF方案所獲得的光譜。(黑色:SCAF方案所得之光譜 , 藍色、紅色、綠色分別是x、y、z方向電偶極矩變化所造成的光譜。) -------------------------------------------------------------------------------------107

圖4-25 NH2CH3中N-C鍵拉身運動之吸收峰在吸附前後的比較圖。(a)為解離吸附前,(b)為解離吸附後。----------------------------------------------------------------------------------------108

圖4-26 與吸附分子作用的Si=Si dimer在(a)吸附前及(b)吸附後的非等向性光譜。頻率範圍為0~1800cm-1。-----------------------------------------------------------------------------110

圖4-27 解離吸附後(a)Siup-H鍵、(b)Sidown-N鍵以及(c) N-C鍵的SCAF經過傅利業轉換後所得到的光譜。頻率範圍為0~1800cm-1。----------------------------------------110

圖4-28 由PaDAF分析方案所得之反應發生dimer row的非等向性光譜。紫色為整體的IR訊號,藍色、綠色、紅色分別為X、Y、Z方向電偶極距變化所得到的IR訊號,(a)為吸附前,(b)為吸附後。------------------------------------------------------111

圖4-29 one-dimer解離吸附產物中N-Si-Si鍵角隨分子動態的timestep進行的變化曲線。------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------112

圖4-30 one-dimer解離吸附後產物中,CH3官能基由於N-Si鍵旋轉而進行圓週繞行運動的示意圖,此期間內Si-H鍵以x方向的運動為主。(a)為step696時的結構圖;(b)為step1838之後的結構圖。-------------------------------------------------------112

圖4-31 Si-H鍵在step696~step1838期間內經由SCAF方案所得到的模擬光譜,此期間內Si-H鍵的運動以x方向為主。-------------------------------------------------------------113

圖4-32 Si-H鍵在step2558~step3999期間內經由SCAF方案所得到的模擬光譜,此期間內Si-H鍵的運動以y方向為主。-------------------------------------------------------------113

圖4-33 one-dimer產物於Si9H12原子團簇上的結構示意圖。圖中原子上的”F”代表在計算中位置被固定(Fix)的原子。----------------------------------------------------------------115

圖4-34 圖4-32(a)之結構經分子動態模擬計算後,分別對所有Si原子與吸附分子的電偶極距(a),Si-H鍵鍵長(b),CH3官能基電偶極距(c),N-H鍵鍵長(d)的自我相關函數進行傅利葉轉換後所得到的光譜。---------------------------------115

圖4-35 圖3-20(b)之結構經分子動態模擬計算後,分別對所有Si原子與吸附分子的電偶極距(a),Si-H鍵鍵長(b),CH3官能基電偶極距(c),N-H鍵鍵長(d)的自我相關函數進行傅利葉轉換後所得到的光譜。---------------------------------118

圖4-36 NH2CH3吸附於Si9H12系統在50K下進行分子動態模擬計算後,分別對所有Si原子與吸附分子的電偶極距(a),Si-H鍵鍵長(b),CH3官能基電偶極距(c),N-H鍵鍵長(d)的自我相關函數進行傅利葉轉換後所得到的光譜。--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------120

圖4-37 one-dimer產物於Si(100)-4x4表面系統在(a)50K與(b)300K下經PaDAF方案所得到的分子動態模擬光譜。----------------------------------------------------------------------122

圖4-38 one-dimer產物於Si(100)-4x4表面系統經過收集(a) 2 ps與(b) 6 ps的電偶極矩動態資訊並由PaDAF方案所獲得的模擬光譜。-------------------------------------125

表目錄
表3-1 各種晶形之TiO2所屬晶系、晶格常數、能隙與密度等物理性質。------------------36

表3-2 使用Rutile TiO2塊材對截止動能所做的測試結果。------------------------------------------39

表3-3 InN以不同模式吸附於Rutile TiO2(110)-1x1表面及Anatase TiO2(101)表面各種模式之吸附能[13]。其中當InN以InN-Ticn5模式吸附於Anatase TiO2(101)表面時,其收斂結構即是Ocn2-InN-Ticn5模式。----------------------------------48

表3-4 InN以各種吸附模式在Rutile TiO2(110)-1x1及Anatase TiO2(101)表面上吸附後系統的能隙大小與相對的吸收波長,以及InN與TiO2的態密度在HOMO、LUMO能量範圍處,相對於系統總態密度大小的重疊程度。--------52

表3-5 InN以1.0ML的覆蓋率吸附在Rutile TiO2(110)-1x1及2x1表面後各種吸附模式的吸附能,其中由於我們要比較的是一個InN分子吸附在表面上的吸附能,所以表中2x1表面的吸附能是原始吸附能除以2之後的數值。---------61

表3-6 InN以1.0ML的覆蓋率吸附在Rutile TiO2(110)-1x1及2x1表面後系統的能隙與相對的吸收波長,以及InN和TiO2之間態密度在HOMO、LUMO能量範圍處相對於系統總態密度的重疊程度大小。---------------------------------------------61

表3-7 InN以1.0ML及0.5ML的覆蓋率吸附在Rutile TiO2(110)-2x1表面後各種吸附模式的吸附能。---------------------------------------------------------------------------------------------------69

表3-8 InN以1.0ML及0.5ML的覆蓋率吸附在Rutile TiO2(110)2x1表面後系統的能隙與相對的吸收波長,以及InN和TiO2之間態密度在HOMO、LUMO能量範圍處相對於系統總態密度的重疊程度大小。-----------------------------------------69

表4-1 使用2個及4個k點計算Si(100)-4x4表面收斂後的總能、dimer平均鍵長以及平均傾斜角。--------------------------------------------------------------------------------------------------------85

表4-2 one-dimer與cross-dimer途徑中結構參數隨反應進行的變化。---------------------101

表4-3 實驗光譜與NH2CH3在Si(100)-4x4表面上one-dimer解離吸附後模擬光譜中Si-H鍵、N-H鍵與C-H鍵的振動頻率。------------------------------------------------------108

表4-4 不同系統中Si-H鍵、N-H鍵及C-H鍵拉伸運動的吸收頻率,expt.代表實驗結果,Si(100)-4x4表示我們使用的Si(100)-4x4表面的系統所得之結果,Si9H12為我們使用的Si9H12系統(採圖4-33(a)所示之限制方式),Si9H12 /Gau ssian為文獻[5]中理論計算所得的結果。------------------------------------------------------------117

表4-5 不同系統中Si-H鍵、N-H鍵及C-H鍵拉伸運動的吸收頻率,expt.代表實驗結果,Si(100)-4x4表示我們使用的Si(100)-4x4表面的系統所得之結果,Si9H12為我們使用的Si9H12系統(採圖4-33(b)所示之限制方式),Si9H12/Gaussian為文獻[5]中理論計算所得的結果。---------------------------------------118

表4-6 不同系統中Si-H鍵、N-H鍵及C-H鍵拉伸運動的吸收頻率,expt.代表實驗結果,Si(100)-4x4表示我們使用的Si(100)-4x4表面的系統所得之結果,Si9H12為我們使用的Si9H12系統(採圖4-33(b)所示之限制方式),Si9H12/Gaussian為文獻[5]中理論計算所得的吸收頻率位置。---------------------121

表4-7 one-dimer產物於Si(100)-4x4表面系統在50K與300K之下,一些較主要的官能基振動頻率。-------------------------------------------------------------------------------------------------123

表4-8 針對各種原子使用TZP與DZP層級基底函數計算所獲得的(1)結構 (2)電荷分布與(3)吸附能之間的比較表。---------------------------------------------------------------------127
參考文獻 參考文獻
[1] M. A. Filler, S. F. Bent, Progress in Surface Science, 73, 1-56(2003)
[2] S. F. Bent, Surf. Sci., 500, 879(2002)
[3] http://www.accuratus.com/silinit.html
[4] J. E. Sanabia, J. H. Moore and J. A. Tossell, J. Chem. Phys., 116, 10402(2002)
[5] C. Mui, G. T. Wang, S. F. Bent, and C. B. Musgrave, J. Chem. Phys., 114, 10170 (2000)
[6] X. Cao and R. J. Hamers, J. Am. Chem. Soc., 123, 10988 (2001)
[7] Fujishima A., Honda K., Nature, 238, 37(1972)
[8] B. O’Regan and M. Grätzel, Nature, 353, 737 (1991)
[9] A. Hagfeldt, M. Grätzel, Chem. Rev., 95, 49 (1995)
[10] http://www.postech.ac.kr/chem/mras/eunju.htm
[11]太陽能工程-太陽電池篇, 莊嘉琛 編譯, 全華科技圖書股份有限公司印製
[12] A. V. Sgah, R. Platz, H. Keppner, Solar Energy Materials and Solar Cells, 38, 501-520(1995)
[13] J. S. Lin, W. C. Chou, S. Y. Lu, G. J. Jang, B. R. Tseng, and Y. T. Li, J. Phys. Chem. B, 110, 23460 (2006)
[14] J. H. Wang and M. C. Lin, ChemPhysChem, 5, 1615 (2004)
[15] CASTEP, v3.9( Molecular Simulation Inc., 1999 )
[16] M. D. Segall, Philip. J. D. Lindan, M. J. Probert, C. J. Pickard, P. J. Hasnip, S. J. Clark, M. C. Payne, J. Phys.: Condens. Matter 14,2717(2002)
[17] Soler, J. M., Artacho, E., Gale, J. D., García, A., Junquera, J., Ordejón, P. and Sánchez-Portal, D., J. Phys.: Condens. Matter, 14, 2745(2002)
[18] P. Hohenberg, and W. Kohn, Phys. Rev. 136, 8648(1964)
[19] W. Kohn, Rev. Mod. Phys., 71, 1253(1998)
[20] W. Kohn, and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, 1133A(1965)
[21] D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 41 ,7892(1990)
[22] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865(1996)
[23] Molecular Modelling : principles and applications/Andrew R. Leach, 2nd ed.(2001)
[24] http://en.wikipedia.org/wiki/Bloch_waves
[25] Introductions to Solid State Physics/Charles Kittel, 5th ed.(1976)
[26] H. J. Monkhorst , J. D. Pack, Phys. Rev. B, 13, 5188(1976)
[27] J. D. Pack, H. J. Monkhorst, Phys. Rev. B, 16, 1748(1977)
[28] G. Kresse and J. Hafner, J. Phys.: Condens. Matter 6, 8245(1984)
[29] Troullier, N., Martins, J. L. Phys. Rev. B, 43, 1993(1991)
[30] Kleinman, L., Bylander, D. M. Phys. Rev. Let., 48, 1425(1982)
[31] A. M. Pappe, K. M. Rabe, K. Kaxiras, J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. B, 41, 1227(1990)
[32] J. S. Lin, A. Qteish, M. C. Payne, and V. Heine. Phys. Rev. B, 47, 4174(1993)
[33] Statistical ensemble. In Wikipedia, The Free Encyclopedia., from http://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_ensemble
[34] S. Nose, J. Chem. Phys., 81 ,511(1984)
[35] S. Nose, Mol. Phys., 52, 255(1984)
[36] McQuarrie,D.A. Statistical Mechanics 1976(Mei Ya Publications Inc)
[37] 林志興,周文祺; 時間相關函數與第一原理分子動態模擬於表面系統的理
論研究; 淡江大學化學系博士班論文,2007
[38] Woodcock, L. V., Chem. Phys.Lett., 10, 257(1971)
[39] Cerius2 v3.8, Accelary Inc.
[40] M. Ramamoorthy, D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 49, 16721(1994)
[41] Peter M. Oliver, Graeme W. Watson, E. Toby Kelsey and Stephen C. Parker, J. Mater. Chem., 7, 563-568(1997)
[42] Michele Lazzeri, Andrea Vittadini, and Annabella Selloni, Phys. Rev. B, 63, 155409-1(2001)
[43] A. Beltrán, J. R. Sambrano, M. Calatayud, F. R. Sensato, J. Andrés, Surf. Sci., 490, 116-124(2001)
[44] David R. Ldie ,CRC-HANDBOOK of CHEMISTRY and PHYSICS , p4-148 ,74th edition(1993-1994)
[45] L.M.Sheppard,New Ceramics on the Horizon, Mat.Eng., July(1984)
[46] U. Diebold. “The surface science of titanium dioxide.” Surf. Sci. Reports, 48, 53(2003)
[47] http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
[48] M. L. Colaianni, P. J. Chen, H. Gutleben, J. T. Yates Jr., Chem. Phys. Lett., 191, 561(1992)-48
[49] H. Gutleben, S. R. Lucas, C. C. Cheng, W. J. Choyke, J. T. Yates Jr., Surf. Sci., 257, 146(1991)-49
[50] M. J. Kong, S. S. Lee, J. Lyubovitsky, S. F. Bent, Chem. Phys. Lett., 263, 1(1996)-50
[51] M. A. Filler, S. F. Bent, Progess in Surface Science, 73, 1(2003)-51
[52] E. Fattal, M. R. Radeke, G. Reynolds, and E. A. Carter, J. Phys. Chem. B, 101, 8658(1997)
[53] R. H. Zhou, P. L. Cao, S. B. Fu, Surf. Sci., 249, 129(1991)
[54] Y. Widjaja, M. M. Mysinger, C. B. Musgrave, J. Phys. Chem. B, 104, 2527(2000)
[55] Y. Widjaja, and C. B. Musgrave, Surf. Sci., 469, 9(2000)
[56] T. Kato, S.-Y. Kang, X. Xu, and T. Yamabe, J. Phys. Chem. B, 105, 10340(2001)
[57] A. J. Carman, L. Zhang, J. L. Liswood, and S. M. Casey, J. Phys. Chem. B, 107, 5491(2003)
[58] D. C. McKean and I.A. Ellis, J. Mol. Struct., 29, 81(1975)
[59] O. L. Alerhand, E. J. Mele, Phys. Rev. B., 35, 5533(1987)
[60] C. Mui, J. H. Han, G. T. Wang, C. B. Musgrave, and S. F. Bent, J. Am. Chem. Soc., 124, 4027(2002)
[61] R. Konečný and D. J. Doren, J. Chem. Phys., 106, 2426(1997)
[62] F. Bozso and Ph. Avouris, Phys. Rev. Lett., 57, 1185 (1986)
[63] M. Fujisawa, Y. Taguchi, Y. Kuwahara, M. Onchi, and M. Nishijima, Phys. Rev. B, 39, 12918 (1989)
[64] M. Z. Hossian, Y. Yamashita, K. Mukai, J. Yoshinobu, Phys. Rev. B, 68, 235322 (2003)
[65] E. K. Hlil, L. Kubler, J. L., Bischoff, D. Bolmont, Phys. Rev. B, 35, 5913 (1987)
[66] F. Bozso and Ph. Avouris, Phys. Rev. B, 38, 3937 (1988)
[67] Sung-Hoon Lee and Myong-Ho Kang, Phys. Rev. B, 58, 4903 (1998)
[68] Y. Wang, and G. S. Hwang, J. Chem. Phys., 122, 164706(2005)
[69] Christopher P. A. Mulcahy, April J. Carman, Sean M. Casey, Surf. Sci., 459, 1 (2000)
[70] http://en.wikipedia.org/wiki/Hellmann%E2%80%93Feynman_theorem
[71] J. H. Cho and L. Kleinman, Phys. Rev. B, 67, 201301(2003)
[72] J. Wu, W. Walukiewicz, K. M. Yu, J. W. Ager III, E. E. Haller, H. Lui, W. J. Schaff, Y. Saito and Y. Nanishi, Appl. Phys. Lett., 80, 3967(2002)
[73] T. Matsuoka, H. Okamoto, M. Nakao, H. Harima and E. Kurimoto, Appl. Phys. Lett., 81, 1246(2002)
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