For the most precise incorporation of single impurities in silicon, which is utilized to create quantum devices, a monolayer of adatoms on the Si(100) surface and a dopant-containing molecule are used. Here, we studied the interaction of phosphorus tribromide with a chlorine monolayer with mono- and bivacancies using a scanning tunneling microscope (STM) at 77 K. The combination of different halogens in the molecule and the adsorbate layer enabled unambiguous identification of the structures after PBr3 dissociation on Si(100)-Cl. A Cl monolayer was exposed to PBr3 in the STM chamber, which allows us to compare the same surface areas before and after PBr3 adsorption. As a result of this comparison, we detected small changes in the chlorine layer and unraveled the molecular fragments filling mono- and bivacancies. Using density functional theory, we found that the phosphorus atom occupies a bridge position after dissociation of the PBr3 molecule, which primarily bonds with silicon in Cl bivacancies. These findings provide insight into the interaction of a dopant-containing molecule with an adsorbate monolayer on Si(100) and can be applied to improve the process of single impurity incorporation into silicon.

2.
J. L.
O’Brien
,
S. R.
Schofield
,
M. Y.
Simmons
,
R. G.
Clark
,
A. S.
Dzurak
,
N. J.
Curson
,
B. E.
Kane
,
N. S.
McAlpine
,
M. E.
Hawley
, and
G. W.
Brown
,
Phys. Rev. B
64
,
161401
(
2001
).
3.
S. R.
Schofield
,
N. J.
Curson
,
M. Y.
Simmons
,
F. J.
Rueß
,
T.
Hallam
,
L.
Oberbeck
, and
R. G.
Clark
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
136104
(
2003
).
4.
M.
Fuechsle
,
J. A.
Miwa
,
S.
Mahapatra
,
H.
Ryu
,
S.
Lee
,
O.
Warschkow
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
, and
M.
Simmons
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
242
(
2012
).
5.
J.
Wyrick
,
X.
Wang
,
P.
Namboodiri
,
R. V.
Kashid
,
F.
Fei
,
J.
Fox
, and
R.
Silver
,
ACS Nano
16
,
19114
(
2022
).
6.
B.
Voisin
,
J.
Bocquel
,
A.
Tankasala
,
M.
Usman
,
J.
Salfi
,
R.
Rahman
,
M. Y.
Simmons
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
S.
Rogge
,
Nat. Commun.
11
,
6124
(
2020
).
7.
B.
Joecker
,
A. D.
Baczewski
,
J. K.
Gamble
,
J. J.
Pla
,
A.
Saraiva
, and
A.
Morello
,
New J. Phys.
23
,
073007
(
2021
).
8.
Y.
He
,
S. K.
Gorman
,
D.
Keith
,
L.
Kranz
,
J. G.
Keizer
, and
M. Y.
Simmons
,
Nature
571
,
371
(
2019
).
9.
X.
Wang
,
E.
Khatami
,
F.
Fei
,
J.
Wyrick
,
P.
Namboodiri
,
R.
Kashid
,
A. F.
Rigosi
,
G.
Bryant
, and
R.
Silver
,
Nat. Commun.
13
,
6824
(
2022
).
10.
M.
Kiczynski
,
S. K.
Gorman
,
H.
Geng
,
M. B.
Donnelly
,
Y.
Chung
,
Y.
He
,
J. G.
Keizer
, and
M. Y.
Simmons
,
Nature
606
,
694
(
2022
).
11.
T. J. Z.
Stock
,
O.
Warschkow
,
P. C.
Constantinou
,
J.
Li
,
S.
Fearn
,
E.
Crane
,
E. V. S.
Hofmann
,
A.
Kölker
,
D. R.
McKenzie
,
S. R.
Schofield
, and
N. J.
Curson
,
ACS Nano
14
,
3316
(
2020
).
12.
K. J.
Dwyer
,
S.
Baek
,
A.
Farzaneh
,
M.
Dreyer
,
J. R.
Williams
, and
R. E.
Butera
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
41275
(
2021
).
13.
M. S.
Radue
,
S.
Baek
,
A.
Farzaneh
,
K. J.
Dwyer
,
Q.
Campbell
,
A. D.
Baczewski
,
E.
Bussmann
,
G. T.
Wang
,
Y.
Mo
,
S.
Misra
, and
R. E.
Butera
,
J. Phys. Chem. C
125
,
11336
(
2021
).
14.
E. A. S.
Lundgren
,
R.
Conybeare
,
T. J. Z.
Stock
,
N. J.
Curson
,
O.
Warschkow
, and
S. R.
Schofield
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
151601
(
2023
).
15.
T. V.
Pavlova
,
G. M.
Zhidomirov
, and
K. N.
Eltsov
,
J. Phys. Chem. C
122
,
1741
(
2018
).
16.
K. J.
Dwyer
,
M.
Dreyer
, and
R. E.
Butera
,
J. Phys. Chem. A
123
,
10793
(
2019
).
17.
T. V.
Pavlova
,
V. M.
Shevlyuga
,
B. V.
Andryushechkin
,
G. M.
Zhidomirov
, and
K. N.
Eltsov
,
Appl. Surf. Sci.
509
,
145235
(
2020
).
18.
T. V.
Pavlova
and
K. N.
Eltsov
,
J. Phys.: Condens. Matter
33
,
384001
(
2021
).
19.
E.
Frederick
,
K. J.
Dwyer
,
G. T.
Wang
,
S.
Misra
, and
R. E.
Butera
,
J. Phys.: Condens. Matter
33
,
444001
(
2021
).
20.
T.
Pavlova
,
V.
Shevlyuga
,
B.
Andryushechkin
, and
K.
Eltsov
,
Appl. Surf. Sci.
591
,
153080
(
2022
).
21.
T. V.
Pavlova
,
E. S.
Skorokhodov
,
G. M.
Zhidomirov
, and
K. N.
Eltsov
,
J. Phys. Chem. C
123
,
19806
(
2019
).
22.
A.
Farzaneh
and
R. E.
Butera
,
Appl. Surf. Sci.
589
,
152877
(
2022
).
23.
V. M.
Shevlyuga
,
Y. A.
Vorontsova
, and
T. V.
Pavlova
,
J. Phys. Chem. C
127
,
8978
(
2023
).
24.
G. W.
Brown
,
B. P.
Uberuaga
,
H.
Grube
,
M. E.
Hawley
,
S. R.
Schofield
,
N. J.
Curson
,
M. Y.
Simmons
, and
R. G.
Clark
,
Phys. Rev. B
72
,
195323
(
2005
).
25.
I.
Horcas
,
R.
Fernández
,
J. M.
Gómez-Rodríguez
,
J.
Colchero
,
J.
Gómez-Herrero
, and
A. M.
Baro
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
013705
(
2007
).
26.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
27.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
28.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
29.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
30.
31.
J.
Tersoff
and
D. R.
Hamann
,
Phys. Rev. B
31
,
805
(
1985
).
32.
I.
Lyubinetsky
,
Z.
Dohnálek
,
W. J.
Choyke
, and
J. T.
Yates
,
Phys. Rev. B
58
,
7950
(
1998
).
33.
T. V.
Pavlova
,
V. M.
Shevlyuga
,
B. V.
Andryushechkin
, and
K. N.
Eltsov
,
Phys. Rev. B
101
,
235410
(
2020
).
34.
O.
Warschkow
,
N. J.
Curson
,
S. R.
Schofield
,
N. A.
Marks
,
H. F.
Wilson
,
M. W.
Radny
,
P. V.
Smith
,
T. C. G.
Reusch
,
D. R.
McKenzie
, and
M. Y.
Simmons
,
J. Chem. Phys.
144
,
014705
(
2016
).
35.
O.
Warschkow
,
H. F.
Wilson
,
N. A.
Marks
,
S. R.
Schofield
,
N. J.
Curson
,
P. V.
Smith
,
M. W.
Radny
,
D. R.
McKenzie
, and
M. Y.
Simmons
,
Phys. Rev. B
72
,
125328
(
2005
).
36.
R.
Miotto
,
G. P.
Srivastava
,
R. H.
Miwa
, and
A. C.
Ferraz
,
J. Chem. Phys.
114
,
9549
(
2001
).
37.
T. C.
Shen
,
C.
Wang
,
G. C.
Abeln
,
J. R.
Tucker
,
J. W.
Lyding
,
P.
Avouris
, and
R. E.
Walkup
,
Science
268
,
1590
(
1995
).
You do not currently have access to this content.