Введение
В химии, висящая связь – это неудовлетворенная валентность на иммобилизованном атоме. Атом с висящей связью также называют иммобилизованным свободным радикалом или иммобилизованным радикалом, что отражает его структурное и химическое сходство со свободным радикалом. Когда говорят о висящей связи, обычно подразумевают состояние, описанное выше, содержащее один электрон и, следовательно, приводящее к нейтрально заряженному атому. Существуют также дефекты, связанные с висящими связями, содержащие два или ни одного электрона. Они соответственно несут отрицательный и положительный заряд. Висящие связи с двумя электронами имеют энергию, близкую к валентной зоне материала, а висящие связи без электронов – энергию, близкую к зоне проводимости. Они характеризуются делокализованной электронной плотностью вокруг трех связующих орбиталей, сравнимой с p-орбиталью, но с большей плотностью электронов, локализованной на ядре кремния. Три оставшиеся связи, как правило, стремятся к более плоской конфигурации. Экспериментально установлено, что спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) не отличаются существенно от спектров дейтерированного аналога a-Si:D, что указывает на незначительное обратное связывание водорода с кремнием в висящей связи. Также было показано, что связи Si-Si и Si-H примерно одинаково прочны.
Реактивность
Как свободные, так и иммобилизованные радикалы обладают существенно отличающимися химическими свойствами по сравнению с атомами и молекулами, содержащими только ковалентные связи. Как правило, они крайне реакционноспособны. Иммобилизованные свободные радикалы, подобно своим подвижным аналогам, обладают высокой нестабильностью, однако приобретают некоторую кинетическую стабильность благодаря ограниченной подвижности и стерическим затруднениям. В то время как свободные радикалы обычно имеют короткое время жизни, иммобилизованные свободные радикалы зачастую демонстрируют более длительное существование из-за снижения их реакционной способности.
Магнитные
Наличие ненасыщенных связей может приводить к ферромагнетизму в материалах, которые обычно не обладают магнитными свойствами, таких как полимеры и гидрированные графитовые материалы. Ненасыщенная связь содержит/состоит из электрона и, таким образом, может вносить собственный результирующий (пара)магнитный момент. Это происходит только тогда, когда электрон ненасыщенной связи не образует пару со спином другого электрона. Ферромагнитные свойства различных углеродных наноструктур могут быть объяснены наличием ненасыщенных связей и могут быть использованы для создания металло-свободной органической спинтроники и полимерных ферромагнитных материалов (см. Приложения). Создание ненасыщенных связей с неспаренными электронами можно, например, достичь путем разрезания или приложения значительного механического напряжения к полимеру. В этом процессе разрываются ковалентные связи между атомами углерода. По одному электрону может оказаться на каждом из атомов углерода, которые первоначально участвовали в образовании связи, что приводит к образованию двух неспаренных ненасыщенных связей.
Оптические
Висящая связь добавляет дополнительный энергетический уровень между валентной зоной и зоной проводимости решетки. Это обеспечивает поглощение и излучение на больших длинах волн, поскольку электроны могут совершать меньшие энергетические переходы, перемещаясь в этот дополнительный уровень и из него. Энергия фотонов, поглощаемых или излучаемых с этого уровня, не равна разности энергий между дном зоны проводимости и висячей связью, или между верхом валентной зоны и висячей связью. Это обусловлено релаксацией решетки, вызывающей сдвиг Франка — Кондона в энергии. Этот сдвиг объясняет расхождение между результатами расчетов методом сильных связей для этих энергетических различий и экспериментально измеренными значениями энергии.
Индуцированные
В гидрогенизированном кремнии висячие связи могут индуцироваться (длительным) воздействием света. Это приводит к уменьшению фотопроводности материала. (Это наиболее распространенное объяснение так называемого эффекта Стайблера-Вронски.) Механизм этого, как считается, заключается в следующем: энергия фотона передается системе, что вызывает разрыв слабых связей Si-Si, приводя к образованию двух связанных радикалов. Локализованные и находящиеся очень близко друг к другу свободные электроны представляют собой нестабильное состояние, поэтому атомы водорода "перемещаются" к месту разрыва. Это приводит к дальнейшей делокализации электронов, что является более стабильным состоянием. При содержании водорода около 10%, висячие связи, возникающие лишь от очень малой доли смещенных атомов водорода, могут привести к наблюдаемому увеличению сигнала ЭПР. Диффузия водорода играет ключевую роль в этом процессе и объясняет, почему требуется длительное облучение. Было обнаружено, что облучение при повышенных температурах увеличивает скорость образования светоиндуцированных висячих связей. Это можно объяснить увеличением диффузии водорода. Считается, что механизм образования внутренних висячих связей (в гидрогенизированном кремнии) очень похож на механизм светоиндуцированных висячих связей, за исключением того, что источником энергии является тепло, а не фотоны. Это объясняет, почему плотность внутренних висячих связей пренебрежимо мала при комнатной температуре. Свет также может индуцировать образование висячих связей в материалах с тесно связанными валентно-чередующимися парами (IVAP), таких как As2S3. Эти дефекты IVAP состоят из висячей связи, содержащей два электрона (D−), и висячей связи, не содержащей электронов (D+). При облучении одной из этих пар она может захватить электрон или электронную дырку, что приводит к следующим реакциям: Чистые, расщепленные поверхности таких материалов формируют парные, локализованные электронные состояния на чередующихся участках, что приводит к очень слабому или отсутствующему сигналу ЭПР. Измеримый сигнал ЭПР (характерный сигнал в Si при g = 2,0055) дают неплохо расщепленные поверхности и микротрещины, полученные при дроблении, расщеплении, абразивной обработке, нейтронном или высокоэнергетическом ионном облучении, а также при нагревании и быстром охлаждении в вакууме. Наличие кислорода и водорода влияет на сигнал ЭПР от микротрещин, воздействуя на одноэлектронные спиновые центры. Молекулы газа могут попадать в ловушку и, находясь вблизи спинового центра, влиять на сигнал ЭПР. Если микротрещина достаточно мала, волновые функции висячих связей выходят за пределы поверхности и могут перекрываться с волновыми функциями с противоположной поверхности. Это может создавать сдвиговые силы на поверхности кристалла, вызывая перестройку атомных слоев и, как следствие, образование висячих связей. Вследствие реакционной способности висячих связей, полупроводниковый оксид формируется в результате адсорбции газовых молекул, при этом единственные оставшиеся висячие связи располагаются на вакансиях кислорода. Висячие связи образуют sp3-гибридизованную связь с адсорбированной молекулой, обладающую металлическим характером. Они часто являются единственными дефектными центрами, присутствующими в атомных полупроводниках, предоставляющими такие "мягкие центры" для адсорбции молекул. Когда адсорбция газа невозможна (например, для чистых поверхностей в вакууме), поверхностная энергия может быть уменьшена путем реорганизации связывающих электронов, что приводит к деформации решетки. В случае плоскости (001) кремния формируется одна висячая связь на каждом атоме, в то время как другой электрон соединяется с соседним атомом. Удаление поверхностных состояний, связанных с висячими связями на поверхности кремния (001) из запрещенной зоны, может быть достигнуто путем обработки поверхности монослоем селена (в качестве альтернативы была предложена сера). Селен может присоединяться к поверхности кремния (001) и связываться с поверхностными висячими связями, образуя мостик между атомами кремния. Это снимает напряжение в кремниевой поверхности и обрывает висячие связи, защищая их от внешней среды. При воздействии висячие связи могут выступать в качестве поверхностных состояний в электронных процессах.
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.
В полупроводниках
Некоторые аллотропы кремния, такие как аморфный кремний, демонстрируют высокую концентрацию ненасыщенных связей. Помимо фундаментального интереса, эти ненасыщенные связи играют важную роль в работе современных полупроводниковых приборов. Известно, что водород, вводимый в кремний в процессе синтеза, насыщает большинство ненасыщенных связей, как и другие элементы, такие как кислород, что делает материал пригодным для применения (см. Полупроводниковые приборы). Состояния ненасыщенных связей имеют волновые функции, выходящие за пределы поверхности и способные занимать состояния выше валентной зоны. Возникающая разница между уровнем Ферми на поверхности и в объеме приводит к изгибу зон, а большое количество поверхностных состояний фиксирует уровень Ферми.
Пассивирование водорода
Пассивирование водородом – один из способов насыщения этих ненасыщенных связей. Этот процесс пассивирования осуществляется одним из следующих механизмов: осаждением тонкой пленки нитрида кремния SiNx на поликристаллический слой кремния, или пассивированием посредством дистанционной плазменной водородной пассивации (RPHP). В последнем методе водород, кислород и аргон реагируют внутри камеры, после чего водород диссоциирует на атомарный водород в условиях плазмы и диффундирует к кремниевому интерфейсу для насыщения ненасыщенных связей. Это насыщение уменьшает количество дефектных состояний на интерфейсе, где происходит рекомбинация.
Пассивирование диэлектрического слоя
Пассивация диэлектрическим слоем на поверхности кристаллической кремниевой (c-Si) пластины, также называемая "туннельной пассивацией", является одним из наиболее широко используемых методов пассивации в фотоэлектрической технологии. Эта техника сочетает в себе химическую пассивацию и пассивацию полевым эффектом. Данная стратегия основана на формировании диэлектрического слоя (преимущественно диоксида кремния SiO2, оксида алюминия Al2O3 или нитрида кремния SiNx) на поверхности c-Si подложки посредством термического окисления или других методов осаждения, таких как атомно-слоевое осаждение (ALD). В случае формирования SiOx путем термического окисления, процесс действует как химическая пассивация, поскольку, с одной стороны, образование оксидного слоя взаимодействует с ненасыщенными связями на поверхности, что снижает количество дефектных состояний на границе раздела. С другой стороны, поскольку в диэлектрической пленке присутствуют фиксированные заряды (Qf), эти заряды создают электрическое поле, отталкивающее один тип носителей заряда и накапливающее другой на границе раздела. Это накопление обеспечивает снижение концентрации одного типа носителей заряда на границе раздела, что приводит к уменьшению рекомбинации.
Катализ
В экспериментах Юнтэна Ку и др. ненасыщенные связи на оксиде графена использовались для закрепления отдельных атомов металлов (Fe, Co, Ni, Cu) для применения в катализе. Атомы металла адсорбировались путем окисления металла из металлической пены и координации образовавшихся ионов металла с ненасыщенными связями на атомах кислорода оксида графена. Полученный катализатор обладал высокой плотностью каталитических центров и демонстрировал высокую активность, сравнимую с активностью других катализаторов на основе неблагородных металлов в реакциях восстановления кислорода, при этом сохраняя стабильность в широком диапазоне электрохимических потенциалов, сопоставимую со стабильностью электродов Pt/C.
Ферромагнитные полимеры
Пример органического ферромагнитного полимера представлен в статье Ювей Ма и др. : при резке керамическими ножницами или растяжении куска тефлоновой ленты возникает сеть сильно связанных ненасыщенных связей на поверхностях, где полимер был поврежден (в результате резки или в полостях, образованных под воздействием напряжения). В случае слабой структурной деформации, когда образуется лишь небольшое количество ненасыщенных связей, их взаимодействие очень слабое, и в EPR-анализе регистрируется парамагнитный сигнал. Отжиг тефлона в атмосфере аргона при температуре от 100 °C до 200 °C также приводит к появлению ферромагнитных свойств. Однако отжиг вблизи температуры плавления тефлона приводит к исчезновению ферромагнетизма. При длительном воздействии воздуха намагниченность уменьшается из-за адсорбированных молекул воды. Также было обнаружено, что ферромагнетизм не развивается при отжиге тефлона в водяном паре или при резке в среде H2.
Вычислительная химия
В вычислительной химии, ненасыщенная валентность обычно указывает на ошибку при создании структуры, когда атом случайно изображен с недостаточным количеством связей, или связь ошибочно изображена с атомом только с одной стороны.