ダングリングボンド

ダングリングボンドとは、原子が持つ結合手の中で、他の原子との結合に使われず、未結合のまま残された状態のものを指します。これは、半導体結晶の表面や格子欠陥といった特定の場所で発生しやすい現象です。

ダングリングボンドが発生する状況

半導体結晶内部では、原子は規則正しく配列し、互いに電子を共有して結合を形成しています。しかし、結晶の表面に位置する原子や、結晶格子に欠陥がある場所では、結合相手を失うことがあります。これにより、本来結合に使われるはずだった電子が、対となる電子を持たずに「不対電子」として残されます。この不対電子が存在する結合手がダングリングボンドです。

ダングリングボンドの特性

ダングリングボンドは、その不対電子のために非常に不安定で、化学的に活性な状態にあります。そのため、周囲の原子や分子と容易に反応し、様々な物性に影響を与えます。

特に、結晶表面に存在するダングリングボンドは、表面の電気的特性や化学的特性を大きく左右します。例えば、シリコンの結晶表面では、各シリコン原子が複数のダングリングボンドを持つことがあり、これらのダングリングボンドは表面のエネルギー状態を不安定にします。

ダングリングボンドと表面再構成

ダングリングボンドは不安定な状態であるため、半導体の表面では、この状態を解消しようとする力が働きます。その結果、原子の位置が変化して、表面の構造が再構成されることがあります。この現象を表面再構成（リコンストラクション）と呼びます。

例えば、シリコンの(001)理想表面では、表面第一層のシリコン原子は通常2つのダングリングボンドを持っていますが、これらのダングリングボンドを減らすために、シリコン原子同士がペアを作ってダイマー構造を形成します。このダイマー化によって、ダングリングボンドの数が減少し、表面の安定性が増します。

ダングリングボンドが関連する分野

ダングリングボンドは、半導体デバイスの製造や特性評価において重要な役割を果たします。アモルファス半導体などの材料では、多数のダングリングボンドが存在し、その電子状態がデバイスの性能に影響を与えるため、詳細な理解が求められます。

また、ダングリングボンドは、触媒反応や吸着現象など、表面化学の分野でも重要な研究対象となっています。

まとめ

ダングリングボンドは、半導体結晶における原子の未結合手であり、表面の物性や構造に大きな影響を与える重要な概念です。その理解は、半導体デバイスの開発や材料科学の発展に不可欠です。

関連項目

半導体
アモルファス半導体
* 物性物理学

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