Band-gap unification of partially Si-substituted single-wall carbon nanotubes

部分的にSiで置換した単層炭素ナノチューブのバンドギャップの統合

Avramov, P.; Sorokin, P. B.*; Fedorov, A. S.*; Fedorov, D. G.*; 前田 佳均

Avramov, P.; Sorokin, P. B.*; Fedorov, A. S.*; Fedorov, D. G.*; Maeda, Yoshihito

Siで置き換えた炭素ナノチューブ,SiCシート、そして一連の単層SiCナノチューブの原子構造と電子構造を平面波近似を用いた局所密度近似法によって計算した。金属的な(8,8)単層炭素ナノチューブ(SWCNT)では、C原子をSi原子で順に置き換えていくとバンドギャップが生じ、Siの濃度に依存してほぼ2次関数的にバンドギャップが大きくなっていく。半導体的な(10,0)SWCNTの場合は、Si濃度が25%でバンドギャップが最小(0.27eV)になる。Si濃度が12-18%の領域では、いずれのタイプのナノチューブも-点において0.5eVより小さい直接型バンドギャップを持つ。キラル型(8,2)SWSiCNTは、同様の直接型バンドギャップ(0.6eV)を持つ。時間に依存する密度汎関数法によって、Siでの置き換えが近赤外領域における光学遷移の全確率をほぼ一桁増やすことを示した。これは、金属的SWCNTにおける直接型バンドギャップの生成,あらゆるSWCNTのバンドギャップとその性質の統合,動径方向の積分Si3Si3が大きいこと、及び価電子帯・伝導帯の双方で化学結合にSi3状態が寄与することによって引き起こされる。

The atomic and electronic structure of a set of pristine single wall SiC nanotubes as well as Si-substituted carbon nanotubes and a SiC sheet was studied by the LDA plane wave band structure calculations. Consecutive substitution of carbon atoms by Si leads to a gap opening in the energetic spectrum of the metallic (8,8) SWCNT with approximately quadratic dependence of the band gap upon the Si concentration. The same substitution for the semiconductor (10,0) SWCNT results in a band gap minimum (0.27 eV) at 25% of Si concentration. In the Si concentration region of 12-18%, both types of nanotubes have less than 0.5 eV direct band gaps at the - point. The calculation of the chiral (8,2) SWSiCNT system gives a similar (0.6 eV) direct band gap. The regular distribution of Si atoms in the atomic lattice is by 0.1 eV/atom energetically preferable in comparison with a random distribution. Time dependent DFT calculations showed that the silicon substitution sufficiently increases (roughly by one order of magnitude) the total probability of optical transitions in the near infrared region, which is caused by the opening of the direct band gap in metallic SWCNTs, the unification of the nature and energy of band gaps of all SWCNT species, the large values of Si3Si3 radial integrals and participation of Si3 states in chemical bonding in both valence and conductance bands.