НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Моделирование квантовых областей в кремниевых наноструктурах

Дж. Челиковски[14]

В естественном состоянии кремний обладает низкой излучательной способно­стью в оптическом диапазоне, вследствие чего (несмотря на то, что он является наиболее широко распространенным материалом для изготовления электрон­ных устройств) его нельзя применять для производства оптических устройств, солнечных батарей и лазеров. Объясняется это тем, что в отличие от других по­лупроводниковых материалов (например, арсенида галлия) ширина запрещен­ной зоны кремния мала, и поэтому в лазерах и других оптических устройствах применяется обычно арсенид галлия. Если бы свойства кремния путем его мо­дификации удалось приблизить к свойствам арсенида галлия, то получился бы универсальный материал, пригодный для создания всех оптоэлектронных уст­ройств. Поэтому в разработку такого материала уже давно вкладывалось много средств и труда.

Недавно было обнаружено, что оптические свойства кремния могут изме­няться при оптическом возбуждении малого объема вещества, например круп­ного кластера атомов кремния, который называется квантовой точкой. Такие кластеры (например, показанный на рис. 2.8) представляют собой участки кри­сталлической решетки кремния, обработанные пассивирующим веществом (например, атомарным водородом). Зависимость оптической ширины запре­щенной зоны квантовой точки от ее размеров представлена на рис. 2.9. Оптиче­ское возбуждение квантовых точек значительно усиливается. Этот эффект, на­зываемый квантовым удержанием, позволяет приблизить оптические свойства кремния к свойствам арсенида галлия. Например, энергия возбуждения крем­ниевых квантовых точек согласно рис. 2.9 составляет 2—2,5 эВ, что вдвое превы­шает оптическую ширину запрещенной зоны кристаллического кремния и сравнимо с ее величиной для арсенида галлия (1,5 эВ). Для оценки роли кван­тового удержания и интерпретации экспериментальных данных оптическая ширина запрещенной зоны была рассчитана «из первых принципов», без ис­пользования параметров. Удалось выполнить моделирование больших систем (включая кластеры диаметром до 30 А), используя мощные компьютеры (с па­раллельной обработкой данных) и новые алгоритмы расчета.

Наибольший из рассмотренных кластеров Si575H276 (рис. 2.8) содержит не­сколько тысяч электронов, и, следовательно, относительное изменение его энергии при поглощении света мало (по сравнению с полной энергией элект­ронов), что позволяет моделировать его поведение, учитывая только активные электронные состояния. Расчет оптических возбуждений такой крупной кван­товой точки был осуществлен впервые, но теоретические и эксперименталь-

Рис. 2.8. Шаростержневая модель кластера Si575H276- Белые точки соответствуют атомам Н, пассивирующим поверхность квантовой точки.

Рис. 2.9. Экспериментальные данные по зави­симости оптической ширины запрещенной зоны Е от диаметра D кремниевых квантовых точек [6]. Два набора экспериментальных дан­ных соответствуют двум разным методам оценки размеров квантовых точек.

Рис. 2.10. Зависимость оптической ширины за­прещенной зоны Е от диаметра квантовых то­чек D. Сплошная линия — теория [7]; точки — эксперимент [6]. См. рис. 2.9.

Ные результаты для оптической ширины запрещенной зоны (рис. 2.10) хорошо согласуются друг с другом. Эти работы позволили не только лучше понять роль «квантового удержания», но и перейти к прогнозированию характера оптиче­ских переходов в наноструктурных материалах.