[논문 리뷰] Carrier Multiplication in Silicon Nanocrystals: Theoretical Methodologies and Role of the Passivation

Ivan Marri, Marco Govoni외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

Silicon Nanostructures and Photoluminescence참고 문헌 67인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 나노결정(실리콘 나노결정, Si-NCs)에서의 적재 승화(CM) 수명을 계산하기 위한 두 가지 완전한 아-시작 이론적 방법을 제시하며, 수소(H) 및 산소(OH) 기능화 표면 간의 비교를 수행한다. 결과적으로 절대 에너지 척도에서는 CM 수명이 유사하지만, 상대 에너지 척도를 사용할 경우 H-기능화 Si-NCs에서 CM이 OH-기능화보다 더 효율적임을 발견하였으며, 이는 표면 패assing이 스크리닝 및 최종 상태의 밀도를 변화시켜 CM 효율성을 크게 조절한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Carrier multiplication is a non-radiative recombination mechanism that leads to the generation of two or more electron-hole pairs after absorption of a single photon. By reducing the occurrence of dissipative effects, this process can be exploited to increase solar cell performance. In this work we introduce two different theoretical fully ab-initio tools that can be adopted to study carrier multiplication in nanocrystals. The tools are described in detail and compared. Subsequently we calculate carrier multiplication lifetimes in H- and OH- terminated silicon nanocrystals, pointed out the role played by the passivation on the carrier multiplication processes.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 나노결정(Si-NCs)에서의 적재 승화(CM) 수명을 계산하기 위한 두 가지 완전한 아-시작 이론적 방법론을 개발하고 비교하는 것.
• 특히 H-기능화 대비 OH-기능화의 표면 패assing이 Si-NCs에서의 CM 역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 전자 스크리닝 및 국소 전기장 효과가 CM 속도를 결정하는 데 미치는 역할을 평가하는 것.
• CM 효율성을 절대 및 상대 에너지 척도를 모두 사용하여 분석하여, 음향파 냉각과의 경쟁 관계를 평가하는 것.
• 광발전 응용을 위한 나노물질에서의 CM-패assing 관계를 이해하는 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• Si-NCs에서 Kohn-Sham 전자 상태 및 스크리닝된 쿠론 상호작용을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 두 가지 다른 아-시작 접근법을 사용하여 CM 속도를 계산: 비상호작용 전자-정공 그린 함수 및 전기적 스크리닝의 사영 고유분해.
• 적재 승화를 전자 또는 정공의 붕괴에 의해 시작되는 영향 이온화 과정으로 모델링하였으며, 이는 이엑시톤 또는 트리온 상태로 이어진다.
• 행렬 요소 계산에서 에너지 보존을 확보하기 위해 가우시안 분포 델타 함수(FWHM = 0.02 eV)를 사용하였다.
• 역공간에서의 진동수 강도 및 전기적 반응의 푸리에 변환을 통해 스크리닝된 쿠론 행렬 요소 |MD| 및 |ME|를 계산하였다.
• 밴드 갭에서의 상대적 에너지 척도를 정의하기 위해 Eir = −(|Ei| − |Egap|/2)를 도입하여, 음향파 냉각과의 경쟁 분석이 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노결정에서 적재 승화 수명을 계산하는 데 두 가지 다른 아-시작 이론적 방법이 어떻게 비교되는가?
• RQ2 H-대비 OH-기능화가 Si-NCs에서의 CM 효율성 및 활성화 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최종 상태의 밀도(ρf(Ei)) 및 효과적 스크리닝된 쿠론 행렬 요소가 다양한 패assing 시스템에서 CM 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 절대 척도 대비 상대 척도를 사용할 경우, Si-NCs에서의 CM 예측 효율성이 변화하는가?
• RQ5 매질 내 국소 전기장 효과 및 스크리닝이 나노결정에서의 CM 역학을 얼마나 조절하는가?

주요 결과

• 비상호작용 그린 함수 및 사영 고유분해의 두 아-시작 방법은 H-기능화 및 OH-기능화 Si-NCs 모두에서 매우 유사한 CM 수명 예측을 도출하였다.
• OH-기능화 Si35(OH)36은 더 높은 최종 상태의 밀도(ρf(Ei))로 인해 H-기능화 Si35H36보다 이론적 CM 활성화 임계값이 낮았다.
• 절대 에너지 척도에서는 활성화 임계값에서 멀리 떨어진 영역에서 패assing 유형에 관계없이 CM 수명이 거의 독립적임을 발견하였으며, 이는 H-기능화에서 더 높은 쿠론 행렬 요소와 OH-기능화에서 더 높은 ρf(Ei) 간의 상쇄 작용 때문이었다.
• 상대 에너지 척도(Eir/Egap)를 사용할 경우, H-기능화 Si-NCs에서의 CM 효율성이 OH-기능화보다 더 높았으며, 이는 표면 패assing이 후자의 경우 CM의 관련성을 감소시킴을 시사한다.
• 표면에 산소가 존재할 경우 스크리닝 및 국소 전기장 효과가 변화하며, 이는 특히 강한 전자 상관 효과를 가지는 시스템에서 정확한 CM 속도 예측에 핵심적인 역할을 한다.
• 결과적으로 표면 패assing이 CM 효율을 결정하는 데 결정적인 역할을 하며, H-패assing은 음향파 방출과 같은 경쟁적 냉각 채널 대비 더 빠른 CM 붕괴를 유도함을 입증하였다.