Computersimuleringer viser, hvordan nøgleegenskaber ved nanotråde ændrer sig, når diameteren øges

Silicium nanotråde er bredt anerkendt som kandidater til brug i næste generations sensorer, batterielektroder og solceller, og første-princip-beregninger er et vigtigt værktøj i udviklingen af ​​disse applikationer. De fleste af de hidtil udførte beregninger har kun taget hensyn til nanotråde med diametre på mindre end 4 nanometer, selvom det i praksis nanowire-enheder har typisk meget større diametre.

Man-Fai Ng ved A*STAR Institute of High Performance Computing og kolleger i Singapore har nu udført første-principberegninger for at simulere egenskaberne af siliciumnanotråde med diametre på op til 7,3 nanometer (se billede). Forskerne har undersøgt nanotråde lige fra atomare skalaer (~1 nanometer i diameter) til grænsen med stor diameter, på hvilket tidspunkt de begynder at ligne bulk silicium. Forskerne undersøgte nanowire-båndgabet - en nøgleparameter, der påvirker både elektriske og optiske egenskaber - og fandt ud af, at dette faldt med stigende diameter. Simuleringsresultaterne var i overensstemmelse med dem opnået fra eksperimentet, og tendensen var mere forudsigelig ved større diametre.

Ng og hans medarbejdere undersøgte også, hvordan de 'direkte' og 'indirekte' båndgab ændres, når diameteren af ​​siliciumnanotråden øges. Bulk silicium har et indirekte båndgab, hvilket betyder, at exciteringen af ​​en mobil ladebærer skal ledsages af en samtidig ændring i dens momentum. Fordi dette er relativt usandsynligt, bulk silicium er en dårlig absorber og udsender af lys. Halvledere med direkte båndgab, på den anden side, er optisk aktive. Holdet af forskere fandt ud af, at siliciumnanowire-båndgab antog indirekte karakteristika over diametre på omkring 4 nanometer, og direkte egenskaber for mindre diametre.

Forskerne var også i stand til at beregne den måde, hvorpå nanotrådsdiameter påvirker placeringen af ​​dopingatomer langs nanotrådsradius. "Fremmede atomer som bor bruges til at øge tætheden af ​​mobile ladninger, og deres nøjagtige placering kan have en stærk effekt på nanotråds adfærd, ” siger Ng. "Vi viste, at bor-doperende atomer er mere tilbøjelige til at blive fundet ved både nanotrådkernen og overfladen i nanotråde med større diameter, og hovedsageligt ved overfladen for mindre diametre."

Ng og hans medarbejdere forestiller sig, at belysning af forholdet mellem båndgab og diameter vil være nyttigt for udviklingen af ​​siliciumenheder i nanoskala. Arbejdet er også væsentligt som et principbevis. "Efterhånden som beregningsressourcer fortsætter med at forbedre og falde i pris, efterspørgslen efter første-princippet simuleringer af store problemer vil vokse. Vores arbejde viser muligheden for at løse et sådant problem, ” siger Ng.