[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出两种完全从头计算的理论方法，用于计算硅量子点（Si-NCs）中载流子倍增（CM）寿命，比较了氢（H）-终止与氧（OH）-终止表面的影响。研究发现，尽管在绝对能量尺度下CM寿命相似，但使用相对能量尺度时，H-终止Si-NCs中的CM效率高于OH-终止的体系，表明表面钝化通过改变屏蔽效应和终态密度显著调节CM效率。

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.

研究动机与目标

• 开发并比较两种完全从头计算的理论方法，用于计算硅量子点中的载流子倍增（CM）寿命。
• 研究表面钝化（特别是H-与OH-终止）对Si-NCs中CM动力学的影响。
• 评估电子屏蔽和局域场效应在决定CM速率中的作用。
• 使用绝对与相对能量尺度分析CM效率，以评估其与声子冷却的竞争关系。
• 为理解纳米材料中CM-钝化关系在光伏应用中的基础提供依据。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算Si-NCs中的Kohn-Sham电子态及屏蔽库仑相互作用。
• 使用两种不同的从头计算方法计算CM速率：非相互作用电子-空穴格林函数法与介电屏蔽的投影本征分解法。
• 将载流子倍增建模为由电子或空穴弛豫引发的碰撞电离过程，最终形成双激子或三激子态。
• 在矩阵元计算中使用高斯分布的δ函数（半高全宽FWHM = 0.02 eV）以强制满足能量守恒。
• 通过在倒空间中对振子强度和介电响应进行傅里叶变换，计算屏蔽库仑矩阵元|MD|和|ME|。
• 引入相对能量尺度Eir = −(|Ei| − |Egap|/2)，以相对于带边比较CM效率，从而分析其与声子冷却的竞争关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 两种不同的从头计算理论方法在计算硅量子点中载流子倍增寿命时，其表现如何比较？
• RQ2 H-与OH-钝化对Si-NCs中CM效率及活化阈值有何影响？
• RQ3 终态密度（ρf(Ei)）和有效屏蔽库仑矩阵元如何影响不同钝化体系中的CM速率？
• RQ4 能量尺度的选择（绝对尺度 vs. 相对尺度）是否会改变对Si-NCs中CM效率的预测？
• RQ5 介质中的局域场效应与屏蔽在多大程度上调节纳米晶中CM的动力学行为？

主要发现

• 非相互作用格林函数法与投影本征分解法两种从头计算方法，对H-与OH-终止Si-NCs的CM寿命预测结果非常接近。
• OH-终止的Si35(OH)36的理论CM活化阈值低于H-终止的Si35H36，这是由于其终态密度（ρf(Ei)）增强所致。
• 在绝对能量尺度下，远离活化阈值时，CM寿命几乎与钝化类型无关，这是由于H-终止体系中较高的库仑矩阵元与OH-终止体系中较高的ρf(Ei)相互补偿。
• 当使用相对能量尺度（Eir/Egap）时，H-终止Si-NCs中的CM效率高于OH-终止体系，表明表面钝化降低了后者的CM相关性。
• 表面氧的存在改变了屏蔽与局域场效应，这对准确预测CM速率至关重要，尤其是在强电子关联体系中。
• 结果表明，表面钝化在决定CM效率方面起决定性作用，其中H-钝化使CM衰减速率相对于声子发射等竞争弛豫通道更快。