Кіріспе
Химияда, тоқталған байланыс – бекітілген атомның қанағаттандырылмаған валенттілігі. Тоқталған байланысы бар атомды бекітілген еркін радикал немесе бекітілген радикал деп те атайды, бұл оның еркін радикалға құрылымдық және химиялық ұқсастығына сілтеме жасайды. Тоқталған байланыстар туралы айтқанда, әдетте жоғарыда сипатталған, бір электронды қамтитын және осылайша бейтарап зарядталған атомның күйін білдіреді. Сондай-ақ, екі немесе ешқандай электроны жоқ тоқталған байланыстар да болады. Олар тиісінше теріс және оң зарядталған. Екі электроны бар тоқталған байланыстардың энергиясы материалдың валенттік аймағына жақын, ал электроны жоқ байланыстардың энергиясы өткізгіштік аймағына жақын. Үш байланысу орбиталының айналасындағы электрондық тығыздық, кремний ядросында электрондық тығыздығы көбірек болатын p орбиталымен салыстырылады. Қалған үш байланыс көбінесе жазық конфигурацияға қарай бейімделеді. Эксперименттерде электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) спектрлері аморфты сутекті кремнийдің (a-Si:H) деутерийленген аналогы, a-Si:D-ден айтарлықтай ерекшеленбейтіні анықталды, бұл сутектен кремнийге кері байланыс өте аз екенін көрсетеді. Сонымен қатар, Si-Si және Si-H байланыстары шамамен бірдей күшті болып көрінеді.
Реактивтілік
Еркін және бекітілген радикалдар атомдар мен молекулалардан, тек толық байланыстардан тұратындардан мүлдем өзгеше химиялық қасиеттерді көрсетеді. Жалпы, олар өте реактивті. Бекітілген еркін радикалдар, олардың еркін қозғалатын аналогтары сияқты, өте тұрақсыз, бірақ олар шектеулі қозғалыс және кеңістіктік кедергі салдарынан белгілі бір кинетикалық тұрақтылыққа ие болады. Еркін радикалдар көбінесе аз ғана өмір сүреді, ал бекітілген еркін радикалдар реактивтіліктің төмендеуіне байланысты көбінесе ұзақ өмір сүреді.
Магниттік
Ілгерілейтін байланыстардың болуы, әдетте магниттік белсенділігі жоқ материалдарда, мысалы полимерлер мен сутектелген графит материалдарында ферромагнетизмге алып келуі мүмкін. Ілгерілейтін байланыста электрон болады және осылайша ол өзінің таза (пара)магниттік моментіне үлес қосуы мүмкін. Бұл тек қана ілгерілейтін байланыс электроны басқа электронның спинімен жұптаспағанда ғана болады. Әртүрлі көміртекті наноқұрылымдардағы ферромагниттік қасиеттерді ілгерілейтін байланыстарды қолдану арқылы сипаттауға болады және металлсіз органикалық спинтроника мен полимерлік ферромагниттік материалдар жасау үшін қолданылуы мүмкін (Қолданылуына қараңыз). Жұпталмаған электрондармен ілгерілейтін байланыстарды құруға, мысалы, полимерді кесу немесе оған үлкен механикалық кернеу түсіру арқылы қол жеткізуге болады. Бұл процесте көміртектің атомдары арасындағы ковалентті байланыстар үзіледі. Бір электрон бастапқыда байланысқа қатысқан әрбір көміртектің атомына түсіп, екі жұпталмаған ілгерілейтін байланыс пайда болуы мүмкін.
Оптикалық
Айналып тұрған байланыс кристалдық тордың валенттік және өткізгіштік жолақтары арасында қосымша энергия деңгейін тудырады. Бұл электрондарға осы қосымша деңгейге өту арқылы кішігірім энергиялық қадамдар жасауға мүмкіндік береді, соның салдарынан ұзын толқынды жарық сіңіріліп, сәуле шығарылады. Осы деңгейге сіңірілген немесе одан шығарылған фотондардың энергиясы, өткізгіштік жолақтың ең төменгі және айналып тұрған байланыстың, немесе валенттік жолақтың ең жоғарғы және айналып тұрған байланыстың арасындағы энергия айырмасымен толыққандай сәйкес келмейді. Бұл, тордың релаксациясына байланысты, энергияда Франк-Кондон қабаттасуына (shift) алып келеді. Бұл қабаттасу, аталған энергия айырмаларын есептеудің тығыз байланыс әдісімен және тәжірибелік өлшемдер арқылы алынған мәндер арасындағы айырмашылықты түсіндіреді.
Індекцияланған
Гидрогенделген кремнийде жарыққа (ұзақ) әсер ету арқылы тоқылған байланыстар пайда болуы мүмкін. Бұл материалдың фотоөткізгіштігінің төмендеуіне әкеледі. (Бұл Staebler Wronski әсерінің ең көп айтылған түсіндірмесі.) Механизмі былай: фотон энергиясы әлсіз Si-Si байланыстарын үзуге себеп болатын жүйеге беріледі, нәтижесінде екі байланысқан радикал пайда болады. Бос электрондардың локалдануы және бір-біріне тым жақын орналасуы тұрақсыз күйге әкеледі, сондықтан сутек атомдары үзілген жерге жылжиды. Бұл электрондардың бір-бірінен алшақтауына себеп болады, бұл тұрақты күй. Сутек құрамы шамамен 10% болғанда, орнынан жылған сутек атомдарының өте аз бөлігінен пайда болатын тоқылған байланыстар байқалатын ЭПР (электронды парамагниттік резонанс) сигналының күшеюіне әкелуі мүмкін. Сутектің диффузиясы процесте маңызды рөл атқарады және ұзақ уақыт жарықтандырудың қажеттілігін түсіндіреді. Жоғары температурада жарықтандыру жарықпен шақырылған тоқылған байланыстардың пайда болу жылдамдығын арттырады. Бұл сутектің диффузиясының артуымен түсіндірілуі мүмкін. Ішкі тоқылған байланыстардың (гидрогенделген кремнийде) пайда болу механизмі жарықпен шақырылған тоқылған байланыстарға өте ұқсас, тек энергия көзі фотондар емес, жылу болып табылады. Бұл бөлме температурасында ішкі тоқылған байланыстардың тығыздығының неге елеусіз екенін түсіндіреді. Жарық сондай-ақ As2S3 сияқты тығыз байланысты валенттік алмасу жұптары (IVAP) бар материалдарда тоқылған байланыстардың пайда болуын тудырады. Бұл IVAP ақаулары екі электронды (D−) және электронсыз (D+) тоқылған байланыстардан тұрады. Осы жұптардың бірі жарықтандырылғанда, ол электронды немесе электронды тесікті ұстап алады, нәтижесінде мынадай реакциялар пайда болады: Мұндай материалдардың таза бөлінген беттері алма-кезек орындарда жұпталған электронды локалданған күйлерді қалыптастырады, нәтижесінде өте әлсіз немесе ЭПР сигналы болмайды. Жақсы бөлінбеген беттер мен ұсақталу, бөліну, абразия, нейтрондық немесе жоғары энергиялы иондық сәулелендіру немесе вакуумда қыздыру және тез суытудан алынған микрожарықтар өлшенетін ЭПР сигналын береді (g = 2,0055 кезінде кремнийдегі сипаттамалық сигнал). Оттегі мен сутегі газының болуы микрожарықтардан туындаған ЭПР сигналына әсер етеді, бұл бір электронды спин орталықтарына әсер етеді. Газ молекулалары тұтқындалып, спин орталығына жақын тұрған кезде ЭПР сигналына әсер етеді. Микрожарық жеткілікті кішкентай болғанда, тоқылған байланыс күйлерінің толқындық функциялары бетінен тысқары созылады және қарама-қарсы беттегі толқындық функциялармен жапсырылуы мүмкін. Бұл кристалл бетіне серпілу күшін тудырады, нәтижесінде атомдық қабаттарды қайта реттеуге және тоқылған байланыстардың пайда болуына әкеледі. Тоқылған байланыстардың реакциялық қабілетіне байланысты, жартылай өткізгіштің табиғи оксиді газ молекулаларының адсорбциясы нәтижесінде пайда болады, ал қалған тоқылған байланыстар оттегінің бос орындарында орналасқан. Тоқылған байланыстар адсорбцияланған молекуламен sp3 гибридтелген байланысты құрайды, олар металл сипатына ие. Олар көбінесе атомдық жартылай өткізгіштердегі жалғыз ақаулар болып табылады, молекулалардың сіңірілуіне арналған "жұмсақ орталықтарды" ұсынады. Газдық адсорбция мүмкін болмаған жағдайда (мысалы, вакуумдағы таза беттерде), байланыс электрондарын қайта ұйымдастыру арқылы беткі энергияны азайтуға болады, бұл процесте тордың деформациясын тудырады. Кремнийдің (001) беткі жазықтығы үшін әрбір атомда бір тоқылған байланыс пайда болады, ал екінші электрон көрші атоммен жұптасады. Кремнийдің (001) бетіндегі тоқылған байланыс күйлерін жоюды бетті селеннің моноқабатымен өңдеу арқылы жүзеге асыруға болады (балама ретінде күкірт ұсынылды). Селен кремнийдің (001) бетіне жабыса алады және кремний атомдары арасындағы көпіршік ретінде тоқылған байланыстарды байлай алады. Бұл кремний бетіндегі кернеуді босатып, тоқылған байланыстарды сыртқы ортадан қорғайды. Ашылған кезде тоқылған байланыстар электрондық процестердегі беттік күйлер ретінде әрекет ете алады.
Clean cleaved surfaces of such materials form paired electron localized states on alternate sites resulting in a very weak to no EPR signal. Not well cleaved surfaces and microcracks obtained from crushing, cleaving, abrading, neutron or high energy ion irradiation or heating and rapid cooling in vacuum give a measurable EPR signal (a characteristic signal in Si at g = 2,0055). The presence of oxygen and hydrogen gas affects the EPR signal from microcracks by affecting the single electron spin centers. The gas molecules can get trapped and, when staying close to a spin center, affect the EPR signal. When a microcrack is sufficiently small, the wave functions of the dangling bond states extend beyond the surface and can overlap with wave functions from the opposite surface. This can create shear forces in the crystal surface, causing atom layers to realign while creating dangling bonds in the process. Due to the reactivity of dangling bonds, the semiconductor native oxide will form due to adsorption of gas molecules, the only remaining dangling bonds are located at oxygen vacancies. Dangling bonds form an sp3 hybridized bond with the adsorbed molecule, which have a metallic character. They are often the only defect sites present on atomic semiconductors, which provide such "soft centers" for molecules to adsorb to. When no gas adsorption is possible (for example for clean surfaces in vacuum), the surface energy can be reduced by reorganizing bonding electrons, creating lattice strain in the process. In case of the (001) surface plane of silicon, a single dangling bond on each atom will be formed, while pairing the other electron with a neighboring atom. Removal of dangling bond surface states on the silicon (001) surface from the band gap can be achieved by treatment of the surface with a monolayer of selenium (alternatively, sulfur was proposed). Selenium can attach to the silicon (001) surface and can bind to surface dangling bonds, bridging between silicon atoms. This releases the strain in the silicon surface and terminates the dangling bonds, covering them from the outside environment. When exposed, dangling bonds can act as surface states in electronic processes.
Жартылай өткізгіштерде
Кремнийдің кейбір аллотроптары, мысалы, аморфты кремний, жоғары концентрациядағы тоқылған байланыстарды көрсетеді. Бұл байланыстар ғалымдар үшін маңызды болғанымен қатар, қазіргі заманғы жартылай өткізгіш құрылғыларының жұмыс істеуі үшін де маңызды. Кремний синтезі кезінде енгізілген сутегі, сондай-ақ оттегі сияқты басқа элементтер де көптеген тоқылған байланыстарды қанықтырады, бұл материалды қолдануға ыңғайлы етеді (жартылай өткізгіш құрылғыларын қараңыз). Тоқылған байланыстардың күйлері толқындық функцияларға ие, олар беттен тысқары кеңістікке таралады және валенттік аймақтың жоғары жағындағы күйлерді ала алады. Бет және көлемдік Ферми деңгейлерінің арасындағы айырмашылық беттік жолақтың иілуіне және беттік күйлердің көптігі Ферми деңгейін бекітеді.
Сутегін пассивтеу
Сутегімен пассивтеу – бұл асыңқы байланыстарды қанықтырудың бір жолы. Бұл пассивтеу процесі келесі механизмдердің бірі арқылы жүзеге асырылады: поликристалдық кремний қабатының үстіне кремний нитридінен (SiNx) жасалған жұқа пленканың жайылтылуы немесе қашықтықтанғы плазмалық сутек пассивтеу (RPHP) арқылы пассивтеу. Соңғы әдісте сутек, оттегі және аргон газдары камера ішінде реакцияласады, содан кейін сутек плазма жағдайында атомдық сутекке ыдырайды және кремний интерфейсіне таралып, асыңқы байланыстарды қанықтырады. Бұл қанықтыру рекомбинация жүретін интерфейс ақауларын азайтады.
Диэлектрлік қабатты пассивтеу
Кристалдық кремний (cSi) пластинкасының үстіне диэлектрлік қабатпен пассивтеу, сондай-ақ "тоннельдік пассивтеу" деп аталатын бұл әдіс, фотоэлектрлік технологияда ең көп қолданылатын пассивтеу техникаларының бірі болып табылады. Бұл техника химиялық пассивтеу және өріс эффектісі пассивтеуін біріктіреді. Бұл стратегия диэлектрлік қабаттың (көбінесе кремний диоксиді SiO2, алюминий оксиді Al2O3 немесе кремний нитриді (SiNx)) c Si субстратының үстінде термиялық тотығу немесе атомдық қабаттап жабу (ALD) сияқты басқа жабын жасау техникалары арқылы қалыптасуына негізделген. Егер SiOx термиялық тотығу арқылы түзілсе, бұл процесс химиялық пассивтеу ретінде әрекет етеді, себебі оксид қабатының түзілуі беттегі тоқылған байланыстармен өзара әрекеттеседі, соның салдарынан интерфейстегі ақаулы жағдайлар азаяды. Екінші жағынан, диэлектрлік қабатта бекітілген зарядтар (Qf) болғандықтан, олар бір типті заряд тасымалдаушыларды тебілету арқылы және екінші типті интерфейсте жинақтау арқылы электр өрісін құрады. Бұл толықтыру интерфейстегі заряд тасымалдаушылардың концентрациясын азайтады, нәтижесінде рекомбинация төмендейді.
Катализа
Юнтенг Ку және басқалар жүргізген эксперименттерде графен оксидіндегі бос байланыстар катализ саласында қолдану үшін жеке металл атомдарын (Fe, Co, Ni, Cu) байланыстыру үшін пайдаланылды. Металл атомдары металл көбігін тотықтыру арқылы және металл иондарын графен оксидінің оттегіндегі бос байланыстарға координациялау арқылы адсорбцияланды. Нәтижесінде алынған катализатор жоғары каталитикалық орталықтар тығыздығына ие болды және оттегінің тотығу-тотықсыздану реакцияларында басқа асыл емес металл катализаторларымен салыстырылатын жоғары белсенділік көрсетті, сонымен қатар Pt/C электродымен салыстырылатын кең электрохимиялық потенциал диапазонында тұрақтылығын сақтады.
Ферромагниттік полимерлер
Органикалық ферромагниттік полимердің мысалы Ювей Ма және авторлар тобының мақаласында келтірілген. Керамикалық қайшымен кесу немесе тефлон таспасын созу арқылы полимердің үзілген жерлерінде (кесуден немесе кернеуден пайда болған қуыстарда) күшті байланысқан бос байланыстардың желісі пайда болады. Егер құрылымдық деформация нашар болса, яғни тек аз ғана бос байланыстар пайда болса, байланыс өте әлсіз болады және ЭПР талдауында парамагниттік сигнал тіркеледі. Тефлонды 100 °C-тан 200 °C-қа дейінгі аргон атмосферасында қыздыру да ферромагниттік қасиеттерге әкеледі. Дегенмен, тефлонның балқу температурасына жақын қыздыру ферромагнетизмді жояды. Ұзақ уақыт ауаға ұшырағанда, адсорбцияланған су молекулаларының әсерінен магниттелу төмендейді. Сондай-ақ, тефлонды су буымен қыздыру немесе H2 ортасында кесу кезінде ферромагнетизмнің пайда болмайтыны анықталды.
Есептеу химиясы
Есептеу химиясында, бос байланыс әдетте құрылым құру кезіндегі қателікті көрсетеді, онда атом қателікпен тым аз байланысқан атомдармен көрсетілген немесе байланыс бір жағында ғана атоммен дұрыс емес көрсетілген болады.