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The defect structure of vitreous SiO2 films on silicon. I. Structure of vitreous SiO2 and the nature of the SiO bond

1980; Wiley; Volume: 57; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1002/pssa.2210570126

1521-396X

A. G. Revesz,

Crystal Structures and Properties

The structural flexibility of SiO2 is due to variation in the SiOSi bond angle, φ, which links the SiO4/2 tetrahedra. The reason for the wide variation in both, vitreous SiO2 (120° to 180°) and tridymite crystal (≈ 140° to ≈ 170°) of this angle is that the SiO bond has ionic as well as σ-covalent and π-covalent components whose contributions can vary locally since the π-bond character increases with increasing φ. This increase is associated with a decrease in ionicity and an increase in bond polarizability. These variations are illustrated in an extreme manner by comparing SiO4/2 polymorphs with stishovite (SiO6/3) in which the SiO bond is more ionic than that in the SiO4/2 polymorphs and has no π-component. Since the bond energy is not affected by variations in the components of the bond, various structural conformations of essentially identical energy can exist. An example of conformational variation is the preferential increase in π-bonding along the c-axis of quartz during the α-β transformation. These considerations form the conceptual basis of a unique defect in vitreous SiO2 films grown on silicon termed channel. Die Variation des SiOSi-Bindungswinkels, φ, mit dem die SiO4/2-Tetraeder miteinander verbunden sind, ist verantwortlich für die strukturelle Flexibilität von SiO2. Die Ursache der großen Variation dieses Winkels in Kieselglas (120° bis 180°) und auch in Tridymit (≈ 140° bis ≈ 170°) ist die Tatsache, daß die SiO-Bindung ionische, sowie σ-kovalente und π-kovalente Komponenten hat, deren Beitrag lokal variieren kann, weil der π-Bindungscharakter mit zunehmendem φ steigt. Dieser Zunahme ist mit einer Verminderung der Ionizität und Erhöhung der Bindungspolarisationsfähigkeit verbunden. Der Vergleich zwischen SiO4/2-Polymorphen und Stishovit (SiO6/3), in dem die SiO-Bindung mehr ionisch als in den SiO4/2-Polymorphen ist und auch keine π-Komponente hat, illustriert die Variation der Eigenschaften in extremem Maße. Verschiedene strukturelle Konformationen, die wesentlich dieselbe Energie haben, können vorhanden sein, weil die Variation der Bindungskomponenten keinen Einfluß auf die Bindungsenergie hat. Ein Beispiel der konformationellen Variationen ist das bevorzugte Anwachsen der Bindung entlang der c-Achse des Quartzes während der α-β-Transformation. Diese Betrachtungen bilden die begriffliche Grundlage eines speziellen Defekts in glasartigem, auf Silizium gewachsenem SiO2, der Kanalfehler genannt wird.