[論文レビュー] Carrier Multiplication in Silicon Nanocrystals: Theoretical Methodologies and Role of the Passivation

Ivan Marri, Marco Govoni+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 67被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、炭化ケイ素ナノクリスタル（Si-NCs）におけるキャリアマルチプライケーション（CM）の寿命を計算するための、完全なab-initio理論的手法を2つ提示する。水素（H）終末と酸素（OH）終末の表面を比較した結果、絶対的エネルギースケールではCM寿命に差がないが、相対的エネルギースケールではH終末Si-NCsの方がCMがより効率的であることが判明した。これは、表面パスベーションがスクリーニングおよび最終状態の密度を変化させることで、CM効率を顕著に制御していることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 炭化ケイ素ナノクリスタルにおけるキャリアマルチプライケーション（CM）寿命を計算するための、完全なab-initio理論的手法を2つ開発・比較すること。
• 表面パスベーション（具体的にはH終末対OH終末）がSi-NCsにおけるCMダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 電子的スクリーニングおよび局所場効果がCMレートを決定する役割を評価すること。
• CM効率を絶対的および相対的エネルギースケールの両方で分析し、フォノン冷却との競合を評価すること。
• 太陽電池応用を想定したナノ材料におけるCM-パスベーション関係を理解する基盤を提供すること。

提案手法

• Si-NCsにおけるKohn-Sham電子状態およびスクリーンドクーロン相互作用を計算するために、密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 非相互作用電子-正孔グリーン関数および誘電スクリーニングの射影固有分解の2つの異なるab-initioアプローチを用いて、CMレートを計算した。
• キャリアマルチプライケーションを、電子または正孔の緩和によって引き起こされるインパクトイオン化過程としてモデル化し、二重励起状態またはトリアン状態を生成した。
• 行列要素計算におけるエネルギー保存則を満たすために、FWHM = 0.02 eVのガウス分布型デルタ関数を用いた。
• 逆空間における励振子強度および誘電応答のフーリエ変換により、スクリーンドクーロン行列要素|MD|および|ME|を計算した。
• CM効率をバンド端に対して相対的に比較できるように、相対的エネルギースケールEir = −(|Ei| − |Egap|/2)を導入した。これにより、フォノン冷却との競合分析が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの異なるab-initio理論的手法が、炭化ケイ素ナノクリスタルにおけるキャリアマルチプライケーション寿命の計算において、どのように比較されるか？
• RQ2 H終末対OH終末のパスベーションが、Si-NCsにおけるCMの効率および活性化閾値に与える影響は何か？
• RQ3 最終状態の密度（ρf(Ei)）および有効スクリーンドクーロン行列要素が、異なるパスベーション系におけるCMレートに与える影響は何か？
• RQ4 エネルギースケールの選択（絶対的対相対的）が、Si-NCsにおけるCMの予測効率に影響を与えるか？
• RQ5 媒質内の局所場効果およびスクリーニングが、ナノクリスタルにおけるキャリアマルチプライケーションダイナミクスをどの程度制御するか？

主な発見

• 非相互作用グリーン関数および射影固有分解の2つのab-initio手法は、H終末およびOH終末Si-NCsの両方において、非常に類似したCM寿命の予測を示した。
• OH終末Si35(OH)36は、H終末Si35H36よりも理論的CM活性化閾値が低い。これは、最終状態の密度（ρf(Ei)）が高いためである。
• 絶対的エネルギースケールでは、活性化閾値から離れた領域では、パスベーションの種別にかかわらずCM寿命がほぼ独立である。これは、H終末系では高いクーロン行列要素、OH終末系では高いρf(Ei)が相殺しているためである。
• 相対的エネルギースケール（Eir/Egap）を用いると、H終末Si-NCsの方がOH終末Si-NCsよりもCMがより効率的である。これは、表面パスベーションがOH終末系ではCMの関連性を低下させていることを示している。
• 表面に酸素が存在することで、スクリーニングおよび局所場効果が変化し、特に強い電子相関が働く系では、CMレート予測に不可欠な要因となる。
• 結果として、表面パスベーションがCM効率を決定づける重要な役割を果たしており、Hパスベーションはフォノン放出などの競合緩和チャネルと比較して、より速いCM崩壊を促進することが示された。