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。

据报道，超声波实验结果表明，高纯硅单晶由于含有少量的原子空位，在极低的温度下会出现异常软化，这也因其在尖端缺陷观察技术中的应用而受到关注。硅晶片。为了阐明这种软化的物理原理，我们引入了原子空位的簇模型，该模型将先前的理论扩展为微观图像的方法，并使用精确的对角化方法来计算电子相关性和电子-声子相互作用。的影响。结果，电中性电荷态VO的基态由于电子相关效应而变为自旋单重态/轨道二重态，但由于电子-声子相互作用而变为自旋三重态/轨道三重态。耦合区，表明自旋转变为单重态和轨道三重态。最后一个条件很好地解释了非掺杂硅所表现出的与场无关的软化。此外，我们还发现，由于电子-声子相互作用，B 掺杂硅中出现了+1 价 V+ 态。尽管这些结果与之前的研究结果形成鲜明对比，但它们也很好地解释了超声实验的结果，并证明了极低温度下强相关性和强耦合效应的重要性。此外，作为一种从宏观角度出发的方法，我们构建了一个强束缚模型，重现了硅第一性原理计算的结果，引入了原子空位势，并计算了完美晶体 I 中一个空位的格林函数。要求根据获得的格林函数研究原子空位能级的电荷状态和多极磁化率的空间分布，我们发现大约20%的电子密度分布在5 Å到20 Å的非常宽的范围内。结果表明，由于该效应，包括四极子在内的高阶多极子的磁化率异常增加。此外，对于存在负自旋轨道相互作用的问题，我们使用点电荷模型估计了自旋轨道相互作用，并首次表明可以通过展宽波函数来获得负耦合常数。