[논문 리뷰] Electronic correlations and Fermi liquid behavior of intermediate-band states in titanium-doped silicon

A. Östlin, L. Chioncel|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 05.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 52인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론 내에서 전형적 중간장 이론(TMT)과 동적 평균장 이론(DMFT)을 조합한 방법을 사용하여 티타늄 도핑된 실리콘에서 전자 상관관계 및 국소화를 조사한다. 실험적으로 관련 있는 도핑 농도 범위에서 중간 Band 상태가 금속성임을 발견하였으며, 상관관계로 인해 에르미 수준에서 상태 밀도가 크게 감소하고 비선형 쿼라프article가 존재하는 페르미 액체 거동을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 티타늄 도핑된 실리콘에서 중간 Band 상태의 전자적 성질을 규명하는 것.
• 전자 상관관계와 불순물의 영향을 분리하여 금속-절연체 전이에 미치는 영향을 밝히는 것.
• 높은 도핑 농도에서 중간 Band가 여전히 금속성인지 또는 절연체가 되는지 평가하는 것.
• 상관관계가 있는 불순물이 존재하는 중간 Band 시스템에서 페르미 액체 거동의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• DFT 프레임워크 내에서 불순물과 전자-전자 상관관계를 동시에 다루기 위해 TMT와 DMFT를 조합한다.
• TMT에서 경로 연산자의 기하 평균을 사용하여 불순물을 모델링하며, 표준 CPA의 산술 평균을 대체한다.
• 티타늄 불순물의 3d 오비탈에서 강한 전자 상관관계 효과를 포착하기 위해 동적 평균장 이론을 적용한다.
• DFT, TMT, DMFT 간의 전체 전하 자기구속성을 연속적인 반복 루프에서 수행한다.
• 쿼라프article의 비탄성 및 국소화를 탐색하기 위해 스펙트럼 함수와 자기에너지 계산을 수행한다.
• 형평한 중간장 이론을 사용하여 typical density of states를 계산하여 국소화 지표로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전자 상관관계가 존재하는 상황에서도 티타늄 도핑된 실리콘의 중간 Band가 고도의 도핑 농도에서도 여전히 금속성일까?
• RQ2 전자 상관관계는 중간 Band에서 에르미 수준의 상태 밀도를 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 중간 Band에 비탄성 쿼라프article이 존재하여 페르미 액체 거동을 나타내는가?
• RQ4 불순물과 상관관계가 이 시스템의 금속-절연체 전이에 어떻게 경쟁적으로 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 연구된 티타늄 농도에서 시스템이 금속성을 유지하며, 금속-절연체 전이가 관찰되지 않았다.
• 자기에너지가 특징적인 페르미 액체 형태를 띠며, 특정 온도에서 비탄성 쿼라프article의 존재를 나타낸다.
• 전자 상관관계로 인해 에르미 수준에서 상태 밀도가 크게 감소하였으며, 이는 감소된 쿼라프article 무게를 가진 페르미 액체와 일치한다.
• 형평한 중간장 이론의 순서 매개변수는 여전히 비영이므로, 중간 Band에서 앤더슨 국소화가 존재하지 않음을 나타낸다.
• 스펙트럼 함수는 에르미 수준 근처에 명확한 쿼라프article 피크를 보이며, 비탄성 페르미 액체 거동을 지지한다.
• 결과는 티타늄 도핑된 실리콘의 중간 Band가 금속성이고 상관관계가 강한 상태이며, 불순물과 강한 상관관계가 존재하는 상황에서도 페르미 액체 거동과 일치하는 성질을 가진다는 것을 시사한다.