シリコン点欠陥における強相関・強結合量子状態の理論研究

硅点缺陷中强相关和强耦合量子态的理论研究

基本信息

批准号：
09J06594
负责人：
山川洋一
金额：
$ 0.9万
依托单位：
Niigata University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J06594/
关键词：
シリコン原子空孔強相関電子系非断熱効果

项目摘要

高純度シリコン単結晶が、僅かに含まれる原子空孔により、極低温において異常なソフト化を示すという超音波実験の結果が報告され、極低温での局所量子状態の基礎物理と、半導体基盤のシリコンウェハーにおける最先端欠陥観測技術への応用の両面から注目されている。このソフト化の物理を解明する為、微視的描像からのアプローチとして、先行理論を拡張した原子空孔のクラスターモデルを導入し、厳密対角化法を用いて電子相関・電子フォノン相互作用の効果を調べた。その結果、電気的に中性な電荷状態VOの基底状態は、電子相関効果でスピン1重項・軌道2重項になるが、電子フォノン相互作用によってスピン3重項・軌道3重項へ、さらに強結合領域ではスピン1重項・軌道3重項へと変化する事を明らかにした。この最後の状態は、non-dopedシリコンが示す磁場依存性のないソフト化を良く説明する。また、B-dopedシリコンにおいては、電子フォノン相互作用によって、電気的に+1価のV+状態が現れる事を示した。これらの結果は、先行研究の結果と対照的な反面、超音波実験の結果を良く説明し、極低温における強相関・強結合効果の重要性を表している。さらに、巨視的描像からのアプローチとして、シリコンの第一原理計算の結果を再現する強束縛模型を構築し、そこに原子空孔ポテンシャルを導入して完全結晶中に一個の原子空孔に対するGreen関数を求めた。得られたGreen関数から原子空孔準位の電荷状態及び多極子感受率の空間分布を調べた結果、電子密度の2割程度が5Åから20Åという非常に広範囲に分布しており、この広がりの効果によって、四極子を含めた高次の多極子感受率が異常に増大している事を明らかにした。さらに、負のスピン軌道相互作用の存在が示唆されている問題に対しては、点電荷模型を用いてスピン軌道相互作用を見積り、波動関数の広がりによって負の結合定数が得られる事を初めて示した。

超声实验的结果表明，在极低温度下，含有高纯度硅单晶体的原子空位表现出异常的软化，并且引起了极低温度下局部量子状态的基本物理学的注意，以及用于在硅底部的缺陷观察技术中应用于硅质粘结剂的缺陷观察力。为了阐明该软件的物理学，我们引入了一种原子空缺的群集模型，该模型将先前的理论扩展为微观图像的方法，并使用了严格的对角线化方法来研究电子相关和电子声子相互作用的影响。结果，发现由于电子相关效果，电气中性电荷状态vo的基态变成了旋转单线和轨道双线，但是由于电子声音相互作用而导致的旋转三重态和轨道三重态变化，并且在强度加倍的区域中，旋转三胞胎和轨道三重态变为旋转三重态和轨道三重态。这个最终状态很好地解释了无掺杂硅所表现出的不是磁场依赖性的软化。此外，在B掺杂的硅中，由于电子声子相互作用，+1 Valent V +状态出现了电。这些结果与以前的研究形成鲜明对比，但也很好地解释了超声实验的结果，并表明了在极高的温度下，强相关性和强大结合效应的重要性。此外，作为宏观图像的方法，构建了一个紧密结合的模型，该模型再现了硅的第一原理计算的结果，并引入了原子空位电位，以获得完美晶体中一个原子空位的绿色功能。获得的绿色功能表明，研究了电荷状态和多极敏感性率的空间分布，并且在非常宽的5至20至20Å的范围内分布了约20％的电子密度，并且这种扩散的效果异常增加了较高的较高阶多极敏感性率，包括四足动物。此外，对于表明存在负自旋轨相互作用的问题，我们使用点电荷模型估算了自旋轨道相互作用，这首先表明波函数的扩散会产生负耦合常数。