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Effects of –H and –OH Termination on Adhesion of Si–Si Contacts Examined Using Molecular Dynamics and Density Functional Theory

粘附 密度泛函理论 共价键 分子动力学 基质(水族馆) 材料科学 化学物理 化学 结晶学 计算化学 纳米技术 复合材料 有机化学 海洋学 地质学
作者
J. David Schall,Brian H. Morrow,Robert W. Carpick,Judith A. Harrison
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:40 (9): 4601-4614 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.3c02870
摘要

The contact between nanoscale single-crystal silicon asperities and substrates terminated with -H and -OH functional groups is simulated using reactive molecular dynamics (MD). Consistent with previous MD simulations for self-mated surfaces with -H terminations only, adhesion is found to be low at full adsorbate coverages, be it self-mated coverages of mixtures of -H and -OH groups, or just -OH groups. As the coverage reduces, adhesion increases markedly, by factors of ∼5 and ∼6 for -H-terminated surfaces and -OH-terminated surfaces, respectively, and is due to the formation of covalent Si-Si bonds; for -OH-terminated surfaces, some interfacial Si-O-Si bonds are also formed. Thus, covalent linkages need to be broken upon separation of the tip and substrate. In contrast, replacing -H groups with -OH groups while maintaining complete coverage leads to negligible increases in adhesion. This indicates that increases in adhesion require unsaturated sites. Furthermore, plane-wave density functional theory (DFT) calculations were performed to investigate the energetics of two Si(111) surfaces fully terminated by either -H or -OH groups. Importantly for the adhesion results, both DFT and MD calculations predict the correct trends for the relative bond strengths: Si-O > Si-H > Si-Si. This work supports the contention that prior experimental work observing strong increases in adhesion after sliding Si-Si nanoasperities over each other is due to sliding-induced removal of passivating species on the Si surfaces.

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