硅纳米晶的工程设计：硼和磷共掺杂效应的理论研究

我们表明，利用杂质掺杂可以有效地调控纳米硅的光学和电子性质。特别是，我们通过从头算计算证明，通过适当控制单原子或双原子物种的掺杂，可以实现对光吸收和光发射的显著改变。我们考虑了位于直径 1.1 nm 至 1.8 nm 的硅纳米晶不同替位上的杂质，包括硼或磷（掺杂）以及两者兼有（共掺杂）。我们发现，当两种杂质占据近表面最近邻位置时，共掺杂纳米晶具有最低的杂质形成能。此外，这类系统具有局域在杂质上的带边态，导致与未掺杂纳米晶相比吸收阈值发生红移。我们详细的理论分析表明，光吸收产生的电子-空穴对决定了几何畸变，进而导致吸收和发射光谱之间产生斯托克斯位移。为了更深入地了解这一效应，我们在一种情况下计算了超越单粒子近似的吸收和发射光谱，揭示了多体效应所起的重要作用。我们在本工作中收集的所有结果有力地表明，通过掺杂可以调控硅纳米晶的光学性质。