Density-functional theory study of the electronic structure of thin Si/SiO quantum nanodots and nanowires

密度汎関数法を用いたSi/SiOからなる量子ナノドット・ナノワイヤの電子構造に関する研究

Avramov, P.; Kuzubov, A. A.*; Fedorov, A. S.*; Sorokin, P. B.*; Tomilin, F. N.*; 前田 佳均

Avramov, P.; Kuzubov, A. A.*; Fedorov, A. S.*; Sorokin, P. B.*; Tomilin, F. N.*; Maeda, Yoshihito

本研究では、狭い界面を持つ5角形のSi/SiO量子ナノドット(QDs,直径1.6nm)及びナノワイヤ(NWs)を提案し、元となるシリコンの準安定構造(直径1.2nm)とともに、その原子構造と電子構造を、クラスター近似B3LYP/6-31G及び周期的境界条件(PBC)平面波近似(PW)擬ポテンシャル(PP)局所密度近似法を用いて計算した。最も小さい擬球状QD(Si)の全状態密度(TDOS)はPBC PW PP LDAで計算した結晶性シリコンのTDOSによく一致した。伸長したSiQDsとSiNWsは金属的特性を持った電子構造を示す。しかし、表面に酸化層を持つとSi/SiOクラスターのTDOS中にバンドギャップができる。これらの粒子の価電子帯の上端と伝導帯の底は、核となるSiに由来した電子状態によって形成される。理論的に予測されるバンドギャップの幅は、Si/SiOクラスターの長さによって決定され、さらに、シリカに埋め込まれたナノシリコンのフォトルミネッセンススペクトルにおけるサイズ効果を高い精度で説明できる。

The atomic and electronic structures of a set of proposed pentagonal thin (1.6 nm in diameter) Si/SiO quantum nanodots (QDs) and nanowires (NWs) with narrow interface, as well as parent metastable Si structures (1.2 nm in diameter), were studied using cluster B3LYP/6-31G and periodic boundary condition (PBC) plane-wave (PW) pseudopotential (PP) local-density approximation methods. The total density of states (TDOS) of the smallest quasispherical QD (Si) corresponds well to the PBC PW PP LDA TDOS of the crystalline Si. The elongated SiQDs and SiNWs demonstrate the metallic nature of the electronic structure. The surface oxidized layer opens the band gap in the TDOS of the Si/SiO species. The top of the valence band and the bottom of conduction band of the particles are formed by the Si core derived states. The theoretical band gap width is determined by the length of the Si/SiO clusters and describes the size confinement effect in the experimental photoluminescence spectra of the silica embedded nanocrystalline Si with high accuracy.