Плотность электронных состояний в нанокристаллах кремния в матрице SiO2 и с пассивированной водородом поверхностью

Герт А.В., Белолипецкий А.В., Авдеев И.Д.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Герт А.В., Белолипецкий А.В., Авдеев И.Д. Плотность электронных состояний в нанокристаллах кремния в матрице SiO₂ и с пассивированной водородом поверхностью // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 39–46. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-39-46

Gert A.V., Belolipetsky A.V., Avdeev I.D The density of electronic states in silicon nanocrystals in a SiO₂ matrix and with a hydrogen passivated surface // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 39–46. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-39-46

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе рассматриваются вероятности оптических переходов в нанокристаллах кремния в диэлектрической матрице SiO2 и нанокристаллах, пассивированных водородом. Цель работы. Теоретическое исследование вероятности оптических переходов, сечения поглощения и плотности электронных состояний в нанокристаллах кремния с различным окружением, адаптация метода сильной связи для корректного описания пассивации оборванных связей кремния. Метод. В работе используется вариант метода сильной связи с учётом большого количества орбиталей s, p, d и s* и взаимодействия между ближайшими соседями. Основные результаты. Рассчитана локальная плотность состояний электронов и дырок, вероятности оптических переходов и сечения поглощения в нанокристаллах кремния, пассивированных водородом, и нанокристаллах, помещённых в матрицу SiO₂. Показано, что электронные и дырочные состояния в пассивированных нанокристаллах кремния локализованы внутри кристалла, оптические переходы преимущественно осуществляются в диапазоне длин волн 440–620 нм при диаметре кристалла 4 нм. Окружение матрицей SiO₂ приводит к увеличению вероятности оптических переходов и появлению плотности состояний вне нанокристалла, излучение в этом случае происходит в диапазоне волн 410–620 нм при диаметре кристалла 4 нм. Практическая значимость. Перспектива применения нанокристаллов кремния в фотонике и фотовольтаике, разработка технологии создания нанокристаллов кремния с заданными оптическими свойствами.

Ключевые слова:

нанокристаллы кремния, метод сильной связи, пассивация поверхности

Благодарность:

авторы выражают благодарность М.О. Нестоклону за вклад в разработку используемого в работе метода. И.Д. Авдеев выражает благодарность Фонду развития теоретической физики и математики «БАЗИС» за оказанную поддержку.

Коды OCIS: 250.5590 160.4236

Список источников:

1. Priolo F., Gregorkiewicz T., Galli M., Krauss T.F. Silicon nanostructures for photonics and photovoltaics // Nature Nanotechnol. 2014. V. 9. № 1. P. 19–32. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.271

2. Boyraz O., Jalali B. Demonstration of a silicon Raman laser // Opt. Express. 2004. V. 12. № 21. P. 5269. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.005269
3. Slater J.C., Koster G.F. Simplified LCAO method for the periodic potential problem // Phys. Rev. 1954. V. 94. № 6. P. 1498. https://doi.org/ 10.1103/PhysRev. 94.1498
4. Löwdin P.-O. On the non-orthogonality problem connected with the use of atomic wave functions in the theory of molecules and crystals // J. Chem. Phys. 1950. V. 18. № 3. P. 365–375. https://doi.org/ 10.1063/1.1747632
5. Pathak S., Rakib T., Hou R., Nevidomskyy A., Ertekin E., Johnson H.T., Wagner L.K. Accurate tight-binding model for twisted bilayer graphene describes topological flat bands without geometric relaxation // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. P. 115141
6. Vogl P., Hjalmarson H.P., Dow J.D. A semi-empirical tight-binding theory of the electronic structure of semiconductors // J. Phys. Chem. Sol. 1983. V. 44. № 365. https://doi.org/ 10.1016/0022-3697(83)90064-1
7. Герт А.В, Нестоклон М.О., Прокофьев А.А., Яссиевич И.Н. Моделирование методом сильной связи кремниевых и германиевых нанокристаллов. Обзор // ФТП. 2017. Т. 51. В. 10. С. 1325–1340. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.10.45009.8605
8. Chadi D.J., Cohen M.L. Tight-binding calculations of the valence bands of diamond and zincblende crystals // Physica status solidi (b). 1975. V. 68 P. 405. https://doi.org/ 10.1002/pssb.2220680140
9. Jancu J.-M., Scholz R., Beltram F., Bassani F. Empirical spds* tight-binding calculation for cubic semiconductors: General method and material parameters // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. № 11. P. 6493. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.57.6493
10. Delerue C., Lanoo M. Nanostructures. Theory and modelling. Berlin: Springer, 2004. 245 p.
11. Гусев О.Б., Поддубный А.Н., Прокофьев А.А., Яссиевич И.Н. Излучение кремниевых нанокристаллов. Обзор // ФТП. 2013. Т. 47 № 2. С. 147.
12. Nestoklon M.O., Avdeev I.D., Belolipetskiy A.V., Sychugov I., Pevere F., Linnros J., Yassievich I.N. Tight-binding calculations of the optical properties of Si nanocrystals in a SiO2 matrix // Faraday Discuss. 2020. V. 222. P. 258–273. https://doi.org/ 10.1039/ C9FD00090A
13. Белолипецкий А.В., Нестоклон М.О., Яссиевич И.Н. Моделирование уровней размерного квантования Si-нанокристаллов в матрице SiO2: подбор параметров эмпирического метода сильной связи // ФТП. 2018. T. 52. В. 10. С. 1145. https://doi.org/ 10.21883/ FTP.2018.10.46454.8859
14. Seino K., Bechstedt F., Kroll P. Band alignment at a nonplanar Si/SiO2 interface // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 085320. https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 82.085320
15. Poddubny A.N., Dohnalová K. Direct band gap silicon quantum dots achieved via electronegative capping // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. P. 245439. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.245439
16. Avdeev I.D., Belolipetsky A.V., Ha N.N., Nestoklon M.O., Yassievich I.N. Absorption of Si, Ge, and SiGe alloy nanocrystals embedded in SiO2 matrix // Journal of Applied Physics. 2020. V. 127. P. 114301. https://doi. org/10.1063/1.5139960