硅和锗中间隙氧的理论

我们基于第一性原理总能计算确定中心势能面，并计算其各自的低能激发和红外吸收光谱，重新审视并比较了硅和锗中的间隙氧中心。总能计算明确揭示间隙氧是量子离域的，且离域化在硅和锗中本质上是不同的。硅中的氧位于键中心位置，处于一个高度非简谐的势阱中，而在锗中，它被发现几乎可以自由地围绕其破坏的 Ge-Ge 键旋转。这种不同的离域化是低能激发光谱重要差异的根源：在锗中，旋转和振动激发存在明显的解耦，给出了不同的能量尺度（旋转为 1 cm$^{-1}$，$\nu_2$ 模为 200 cm$^{-1}$），而在硅中，这两种运动以约 30 cm$^{-1}$ 的共同能量尺度非平凡地混合在一起。缺陷振动谱的计算揭示了振动模式（与 $\nu_1$ 模相关）的存在，这些模式由于红外活性弱而从未被实验观察到。我们发现，这些模式与已确立的 $\nu_3$ 非对称伸缩模式的组合是实验上表征良好的、频率高于 $\nu_3$ 模频率的模式的起源。