We have studied the interactions of atomic deuterium with hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) surfaces using surface-sensitive infrared spectroscopy. We deconvoluted the effects of the abstraction reaction from insertion and etching reactions and determined the activation energy barrier for abstraction of H by D from a-Si:H surfaces. Both abstraction and insertion are observed in our experiments conducted over times ranging from a few seconds to hundreds of seconds and sequential insertion of D eventually results in the formation of deuterated silane and etching of the film. The abstraction rate is found to be independent of temperature with an essentially zero activation energy barrier (0.011±0.013 eV), consistent with an Eley–Rideal mechanism and in agreement with recent atomistic calculations.

1.
A.
Matsuda
,
Thin Solid Films
337
,
1
(
1999
).
2.
J. R.
Abelson
,
Appl. Phys. A
56
,
493
(
1993
).
3.
A.
Shah
,
P.
Torres
,
R.
Tscharner
,
N.
Wyrsch
, and
H.
Keppner
,
Science
285
,
692
(
1999
).
4.
R. A. Street, Hydrogenated Amorphous Silicon (Cambridge University Press, Cambridge, 1992).
5.
D. L.
Staebler
and
C. R.
Wronski
,
Appl. Phys. Lett.
31
,
292
(
1977
).
6.
W. M. M.
Kessels
,
A. H. M.
Smets
,
D. C.
Marra
,
E. S.
Aydil
,
D. C.
Schram
, and
M. C. M.
van de Sanden
,
Thin Solid Films
383
,
154
(
2001
).
7.
S.
Sriraman
,
S.
Agarwal
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Nature
418
,
62
(
2002
).
8.
J. R.
Abelson
,
L.
Mandrell
, and
J. R.
Doyle
,
J. Appl. Phys.
76
,
1856
(
1994
).
9.
J. R.
Abelson
,
J. R.
Doyle
,
L.
Mandrell
,
A. M.
Myers
, and
N.
Maley
,
J. Vac. Sci. Technol. A
8
,
1364
(
1990
).
10.
W. H. Weinberg, in Advances in Gas-Phase Photochemistry and Kinetics, edited by M. N. R. Ashfold and C. T. Rettner (The Royal Society of Chemistry, Letchworth, 1991), p. 171.
11.
D. D.
Koleske
,
S. M.
Gates
, and
B.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
101
,
3301
(
1994
).
12.
K.
Sinniah
,
M. G.
Sherman
,
L. B.
Lewis
,
W. H.
Weinberg
,
J. T.
Yates
, Jr.
, and
K. C.
Janda
,
J. Chem. Phys.
92
,
5700
(
1990
).
13.
D. D.
Koleske
,
S. M.
Gates
, and
J. A.
Schultz
,
J. Chem. Phys.
99
,
5619
(
1993
).
14.
W.
Widdra
,
S. I.
Yi
,
R.
Maboudian
,
G. A. D.
Briggs
, and
W. H.
Weinberg
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
2074
(
1995
).
15.
S. A.
Buntin
,
J. Chem. Phys.
108
,
1601
(
1998
).
16.
W. H.
Weinberg
,
Acc. Chem. Res.
29
,
479
(
1996
).
17.
A.
Dinger
,
C.
Lutterloh
, and
J.
Kuppers
,
Chem. Phys. Lett.
311
,
202
(
1999
).
18.
E.
Srinivasan
,
H.
Yang
, and
G. N.
Parsons
,
J. Chem. Phys.
105
,
5467
(
1996
).
19.
K.
Nakajima
,
K.
Miyazaki
,
H.
Koinuma
, and
K.
Sato
,
J. Appl. Phys.
84
,
606
(
1998
).
20.
K. G.
Nakamura
,
Chem. Phys. Lett.
285
,
21
(
1998
).
21.
C.-M.
Chiang
,
S. M.
Gates
,
S. S.
Lee
,
M.
Kong
, and
S. F.
Bent
,
J. Phys. Chem. B
101
,
9537
(
1997
).
22.
A.
von Keudell
and
J. R.
Abelson
,
J. Appl. Phys.
84
,
489
(
1998
).
23.
B.
Tuttle
,
C. G.
Van De Walle
, and
J. B.
Adams
,
Phys. Rev. B
59
,
5493
(
1999
).
24.
M.
Kemp
and
H. M.
Branz
,
Phys. Rev. B
52
,
13946
(
1995
).
25.
Y.
Muramatsu
and
N.
Yabumoto
,
Appl. Phys. Lett.
49
,
1230
(
1986
).
26.
E.
Srinivasan
and
G. N.
Parsons
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
456
(
1998
).
27.
E. S.
Aydil
and
R. A.
Gottscho
,
Solid State Technol.
40
,
181
(
1997
).
28.
Y. J.
Chabal
,
Surf. Sci. Rep.
8
,
211
(
1988
).
29.
D. C.
Marra
,
E. A.
Edelberg
,
R. L.
Naone
, and
E. S.
Aydil
,
Appl. Surf. Sci.
133
,
148
(
1998
).
30.
D. C.
Marra
,
E. A.
Edelberg
,
R. L.
Naone
, and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
3199
(
1998
).
31.
D. C. Marra, Ph.D. Dissertation, University of California, Santa Barbara (2000).
32.
D. E.
Aspnes
,
J. Vac. Sci. Technol.
18
,
289
(
1981
).
33.
D. E.
Aspnes
,
Thin Solid Films
89
,
249
(
1982
).
34.
G. E.
Jellison
and
F. A.
Modine
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
2137
(
1996
).
35.
G. E.
Jellison
and
F. A.
Modine
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
371
(
1996
).
36.
G.
Lucovsky
,
R. J.
Nemanich
, and
J. C.
Knights
,
Phys. Rev. B
19
,
2064
(
1979
).
37.
Y. J.
Chabal
and
K.
Raghavachari
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
282
(
1984
).
38.
V. A.
Burrows
,
Y. J.
Chabal
,
G. S.
Higashi
,
K.
Raghavachari
, and
S. B.
Christman
,
Appl. Phys. Lett.
53
,
998
(
1988
).
39.
Y. J.
Chabal
,
G. S.
Higashi
,
K.
Raghavachari
, and
V. A.
Burrows
,
J. Vac. Sci. Technol. A
7
,
2104
(
1989
).
40.
U.
Jansson
and
K. J.
Uram
,
J. Chem. Phys.
91
,
7978
(
1989
).
41.
K. J.
Uram
and
U.
Jansson
,
J. Vac. Sci. Technol. B
7
,
1176
(
1989
).
42.
Y. J.
Chabal
,
G. S.
Higashi
, and
S. B.
Christman
,
Phys. Rev. B
28
,
4472
(
1983
).
43.
P.
Jakob
,
P.
Dumas
, and
Y. J.
Chabal
,
Appl. Phys. Lett.
59
,
2968
(
1991
).
44.
P.
Jakob
,
Y. J.
Chabal
, and
K.
Raghavachari
,
Chem. Phys. Lett.
187
,
325
(
1991
).
45.
M. H.
Brodsky
,
M.
Cardona
, and
J. J.
Cuomo
,
Phys. Rev. B
16
,
3556
(
1977
).
46.
K. J.
Uram
and
U.
Jansson
,
Surf. Sci.
249
,
105
(
1991
).
47.
J. A.
Glass
, Jr.
,
E. A.
Wovchko
, and
J. T.
Yates
, Jr.
,
Surf. Sci.
348
,
325
(
1996
).
48.
Y.
Toyoshima
,
A.
Matsuda
, and
K.
Arai
,
J. Non-Cryst. Solids
166
,
103
(
1993
).
49.
Y. J.
Chabal
and
K.
Raghavachari
,
Phys. Rev. Lett.
54
,
1055
(
1985
).
50.
M.
Niwano
,
Surf. Sci.
428
,
199
(
1999
).
51.
M. K.
Weldon
,
B. B.
Stefanov
,
K.
Raghavachari
, and
Y. J.
Chabal
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2851
(
1997
).
52.
H. W.
Kattenberg
and
A.
Oskam
,
J. Mol. Spectrosc.
49
,
52
(
1974
).
53.
H. S.
Gutowsky
and
E. O.
Stejskal
,
J. Chem. Phys.
22
,
939
(
1954
).
54.
S. S.
Lee
,
M. J.
Kong
,
S. F.
Bent
,
C.-M.
Chiang
, and
S. M.
Gates
,
J. Phys. Chem.
100
,
20015
(
1996
).
55.
S.
Ramalingam
,
D.
Maroudas
, and
E. S.
Aydil
,
J. Appl. Phys.
86
,
2872
(
1999
).
56.
S. P.
Walch
,
S.
Ramalingam
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Chem. Phys. Lett.
329
,
304
(
2000
).
57.
D. C. Marra, W. M. M. Kessels, M. C. M. van de Sanden, K. Kashefizadeh, and E. S. Aydil, J. Vac. Sci. Technol. A (submitted).
58.
W. M. M. Kessels, Ph.D. Dissertation, Eindhoven University of Technology (2000).
59.
M. C.
Flowers
,
N. B. H.
Jonathan
,
A.
Morris
, and
S.
Wright
,
Surf. Sci.
396
,
227
(
1998
).
60.
S. Ramalingam, Ph.D. Dissertation, University of California, Santa Barbara (2000).
61.
D.
Maroudas
,
Adv. Chem. Eng.
28
,
251
(
2001
).
62.
S.
Agarwal
,
S.
Sriraman
,
A.
Takano
,
M. C. M.
van de Sanden
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
Surf. Sci.
515
,
L469
(
2002
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.