Structure and electronic properties of Si/SiO clusters, nanoparticles and nanowires

Si/SiO クラスター,ナノ粒子,ナノ細線の構造と電子状態

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

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

シリカのナノクラスターSiOはSi/SiOナノ物質の前駆物質であり、その合成において重要な役割を果たす。本研究では、まず、SiO(m=2, 3, n=1-5)の生成と異性化について、その反応経路を6-31G(d)基底関数系を使った2次のMoller-Plesset摂動論(MP2)を用いて計算した。多くの異性化反応について遷移状態が存在することがわかったものの、分離された反応物からのクラスターの形成については、SiOとSiOについてのみ遷移状態が見いだされた。次に、密度汎関数法(B3LYP/6-31G)及び、周期的境界条件,擬ポテンシャル,平面波近似を用いた局所密度近似法を用いて、Si及びSi/SiOからなる量子ドット,ナノワイヤの電子構造を計算した。SiナノワイヤとSi量子ドットは、その多結晶性によりすべて金属的な電子状態を示すことがわかった。また、Siナノワイヤの表面に酸化によってSiOが存在するとSi/SiOナノワイヤの構造はすべて安定になり、SiOの存在によってバンドギャップ(1.4eV)を持つようになる。これらのSi/SiOナノ物質の価電子帯の上端と伝導帯の底は、おもにSiのp軌道で形成される。

The small SiO clusters are the precursors of the Si/SiO objects and play a key role in their synthesis. The reaction paths for formation and isomerization of a set of silica SiO (m=2, 3, n=1-5) nanoclusters have been investigated using second order pertubation theory (MP2) with the 6-31G(d) basis set. Although transition states have been located for many isomerization reactions, only for SiO and SiO some transition states have been found for the formation of a cluster from the separated reactants. The electronic structure calculations of the Si and Si/SiO quantum dots and nanowires have been performed using the DFT B3LYP/6-31G and PBC LDA PP PW approximations. The polycrystalline nature of the Si nanowires and Si quantum dots leads to the metallic state of all species. The oxidized SiO surface leads to stabilization of the atomic structure of all Si/SiO nanowires and to the opening of the semiconductor gap (1.4eV) in the TDOS. The top of the valence band and the bottom of the conductivity band of the Si/SiO nanoobjects are formed manly by Si p-states.