[論文レビュー] Electronic correlations and Fermi liquid behavior of intermediate-band states in titanium-doped silicon

A. Östlin, L. Chioncel|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 52被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、密度汎関数理論（DFT）の枠組み内で、典型中間理論（TMT）と動的平均場理論（DMFT）を組み合わせた手法を用いて、チタンドープシリコンにおける電子相関および局在化を調査した。実験的に関連するドーピング濃度においても、中間帯状態は金属的であり続け、準粒子のコherentlyな状態と強い相関効果によるフェルミエネルギー付近の状態密度の著しい減少を示すフェルミ液体行動を示すことが判明した。

ABSTRACT

We study the nature of the electronic states in the intermediate band formed by interstitial titanium in silicon. Our single-site description combines effects of electronic correlations, captured by dynamical mean-field theory, and disorder, modeled using the coherent potential approximation and the typical medium mean-field theory. For all studied concentrations an extended metallic state with a strongly depleted density of states at the Fermi level is obtained. The self-energy is characteristic to Fermi-liquids and for certain temperatures reveals the existence of coherent quasi-particles.

研究の動機と目的

• チタンドープシリコンにおける中間帯状態の電子的性質を特定すること。
• 電子相関と不純物の影響が金属-絶縁体転移に与える寄与を解明すること。
• 高濃度ドーピング条件下でも中間帯が金属的のままであるか、あるいは絶縁体に転移するかを評価すること。
• 相関効果と不純物が共存する中間帯系においてフェルミ液体行動が妥当であるかを評価すること。

提案手法

• DFTフレームワーク内でTMTとDMFTを組み合わせ、不純物と電子間相関の両方を扱う。
• TMTにおける経路演算子の幾何平均を用いて不純物をモデル化し、標準的なCPAにおける算術平均を置き換える。
• チタン不純体の3d殻における強い電子相関効果を捉えるために動的平均場理論を適用する。
• DFT、TMT、DMFTを連携した反復ループ内で、全電荷自己自己整合性を実施する。
• 準粒子のコherentlyな状態と局在化を調べるために、スペクトル関数と自己エネルギーを計算する。
• 典型中間平均場理論を用いて、局在化の指標としての典型的状態密度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電子相関が存在するにもかかわらず、チタンドープシリコンのなかの帯が高濃度ドーピングにおいても金属的のままであるか？
• RQ2 電子相関は、中間帯におけるフェルミエネルギー付近の状態密度をどの程度抑制するか？
• RQ3 中間帯にコherentな準粒子が存在するか、すなわちフェルミ液体行動が示唆されるか？
• RQ4 不純物と相関が、この系における金属-絶縁体転移にどのように競合するか？

主な発見

• 全研究されたTi濃度において、金属的であることが維持され、金属-絶縁体転移は観察されなかった。
• 自己エネルギーが特徴的なフェルミ液体形を示し、特定の温度で準粒子のコherentlyな状態が存在することが示唆された。
• 電子相関のため、フェルミエネルギー付近の状態密度が著しく減少しており、準粒子重みが小さいフェルミ液体と整合的であった。
• 典型中間理論の秩序パラメータが非ゼロのままであったため、中間帯にアンドリュー局在化が存在しないことが示された。
• スペクトル関数にはフェルミエネルギー付近に明確な準粒子ピークが観察され、コherentなフェルミ液体行動が支持された。
• 結果から、チタンドープシリコンの中間帯は金属的で相関効果が強い状態であり、不純物と強い相関が共存するにもかかわらず、フェルミ液体の性質を示すことが示唆された。