J. Phys. France 49, 2071-2075 (1988)
DOI: 10.1051/jphys:0198800490120207100

Simple pairing picture of (2 × 1) instability and reconstruction of silicon surfaces

Mojmír Tomásek

Ústav fyzíkální chemie a elektrochemie J. Heyrovského, Ceskoslovenská akademie ved, 121 38 Praha 2, Máchova 7, Ceskoslovensko

Abstract
The (2 x 1) reconstructions of three typical silicon surfaces, namely (111), (110) and (100), are described within a very simple pairing picture, relating mutual saturation of Shockley surface states (dangling bonds) from the Fermi energy EF to the geometrical instability of ideal (1 x 1) surfaces. The mechanism involved is the electron-phonon coupling (assumed to be stronger at the surface than in the bulk) between surface states and the deformation modes η and contains two other important tools : the pairing theorem relating wave functions and energies of surface states differing by a certain wave vector κ, and the selection rule picking out reconstruction modes allowed by the present theory. The formalism utilized is applicable also to the interaction of electrons with other boson fields (excitons, plasmons, paramagnons).

Résumé
Les reconstructions (2 x 1) de trois surfaces typiques du silicium ((111), (110), et (100)) sont décrites à l'aide d'un modèle simple d'appariement reliant la saturation mutuelle d'états de surface de Shockley (liaisons pendantes) au niveau de Fermi EF à l'instabilité géométrique des surfaces idéales (1 × 1). Le mécanisme mis en jeu fait intervenir le couplage électron-phonon (supposé plus fort en surface que dans le volume) entre états de surface et les modes de déformation η. Il est basé sur deux principes importants : le théorème d'appariement reliant les fonctions d'ondes et les énergies des états de surfaces différant d'un vecteur d'onde κ et la règle de sélection qui choisit les modes de reconstruction permis. Le formalisme utilisé s'applique également à l'interaction des électrons avec d'autres champs de bosons (excitons, plasmons, paramagnons).

PACS
6835 - Solid surfaces and solid-solid interfaces: Structure and energetics.
7320H - Impurity and defect levels; energy states of adsorbed species.
6320K - Phonon-electron and phonon-phonon interactions.

Key words
dangling bonds -- electron phonon interactions -- elemental semiconductors -- silicon -- surface electron states -- surface structure