[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究结合典型介质理论（TMT）与动态平均场理论（DMFT），在密度泛函理论框架下，研究了钛掺杂硅中电子关联与局域化行为。结果表明，在实验相关的掺杂浓度范围内，中间带态保持金属性，表现出费米液体行为，具有相干准粒子，且由于关联效应，费米能级处的态密度显著降低。

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.

研究动机与目标

• 确定钛掺杂硅中中间带态的电子性质。
• 分离电子关联与无序对金属-绝缘体相变的影响。
• 评估在高掺杂浓度下，中间带是否仍保持金属性或转变为绝缘体。
• 评估在关联、无序的中间带系统中费米液体行为的有效性。

提出的方法

• 在DFT框架内结合TMT与DMFT，以同时处理无序与电子-电子关联效应。
• 在TMT中采用路径算符的几何平均来建模无序，替代标准CPA中的算术平均。
• 应用动态平均场理论以捕捉钛杂质3d壳层中的强电子关联效应。
• 在DFT、TMT与DMFT之间执行完整的电荷自洽迭代循环。
• 计算谱函数与自能，以探测准粒子相干性与局域化行为。
• 采用典型介质平均场理论计算典型态密度，作为局域化的指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强电子关联，钛掺杂硅中的中间带在高掺杂浓度下是否仍保持金属性？
• RQ2 电子关联在多大程度上抑制了中间带中费米能级处的态密度？
• RQ3 是否存在相干准粒子，表明存在费米液体行为？
• RQ4 无序与关联如何竞争，从而影响该体系的金属-绝缘体相变？

主要发现

• 在所有研究的钛浓度下，系统均保持金属性，未观察到金属-绝缘体相变。
• 自能表现出典型的费米液体形式，表明在特定温度下存在相干准粒子。
• 由于电子关联，费米能级处的态密度显著降低，与具有减小的准粒子权重的费米液体一致。
• 典型介质理论序参量保持非零，表明中间带中不存在安德森局域化。
• 谱函数在费米能级附近显示出清晰的准粒子峰，支持相干费米液体行为。
• 结果表明，钛掺杂硅中的中间带为金属性且具有关联性，其性质与费米液体一致，尽管存在无序与强关联。