掺杂半导体表面电子结构的多尺度方法
材料科学
2015-04-17 v1
摘要
纳入半导体掺杂的全局效应对第一性原理模拟构成了独特挑战，因为典型的低掺杂浓度使得显式处理变得不可行。在不显示长程能带弯曲的系统中，使用具有匹配体掺杂浓度的分数核电荷的“伪原子”提供了一种令人满意的补救措施。然而，这对于带电表面并不总是足够的，因为空间电荷区（SCR）的宽度往往超过真实的超胞尺寸。克服这一困难的伪原子方法的一种推广依赖于在平板计算中引入人为的高掺杂水平，并结合多尺度静电能修正。在此，我们提出了一种替代技术，它自然地扩展了伪原子方法，同时避免了进行不切实际的高掺杂水平计算的需要。该方法基于引入过剩电荷以模拟来自 SCR 的自由载流子，以及固定的一片反电荷以模拟与 SCR 相关的电场。通过在体相（半经典处理）与平板/表面的电子态（量子力学处理）之间施加电荷守恒和费米能级平衡来获得自洽性。我们将该方法称为 CREST（电荷库静电片技术），可与标准电子结构代码一起使用。我们使用简单的紧束缚模型验证了该方法，从而允许将其结果与显式包含完整 SCR 的计算进行比较。随后，我们将该方法应用于密度泛函理论，用于深入理解不同掺杂密度下“清洁解理”Si(111) 表面及其弯曲 (2x1) 重构的电子结构。
引用
@article{arxiv.1411.2781,
title = {A multi-scale approach to the electronic structure of doped semiconductor surfaces},
author = {Ofer Sinai and Oliver T. Hofmann and Patrick Rinke and Matthias Scheffler and Georg Heimel and Leeor Kronik},
journal= {arXiv preprint arXiv:1411.2781},
year = {2015}
}
备注
28 pages, 8 figures