五重轴硅团簇的量子受限

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1、第18卷第3期原子与分子物理学报Vol.18，(.3)**1年+月,-./0102345/6738693:.,6/;:370,4765<-=1.,12>l.，)**1文章编号：1***?*3@（A)**1）*3?*)B+?*A五重轴硅团簇的量子受限*段沛（湖南师范大学物理系，长沙A1**1)）摘要：用自洽场多重散射C方法计算了具有五重对称轴的硅团簇的电子能级，并在这种硅团簇表面分别与α氢、氧原子稳定结合情况下，得到了1DE-键和1DE3键的长度、能隙宽度和偶极跃迁激发能。计算结果表明，这种硅团簇表面

2、结合原子是影响团簇电子能级、能隙和跃迁激发能的重要因素。关键词：硅团族；五重对称轴；多重散射C方法；量子受限α中图分类号：3F@1.)，3A13文献标识码：61引言稳定态时，偶极跃迁的激发能。由于量子尺寸效应这种模型的计算数据，虽然与五重轴纳米硅的实际近年来，多孔硅膜和纳米硅中可见光致发光的值存在差距，但可为这种材料的发光性质的研究提发现［1，)］，显示了发展一类新型光器件的潜在势头，供一种定性理论依据。因而引起了广泛的关注和研究［3GF］。但目前对纳米硅中的这种光致发光兰移现象机理的认识，尚不完)

3、计算模型及有关参量全一致，许多研究者认为［1，3］，这主要是纳米硅的量子受限效应所致。当大块晶体硅减小到纳米尺寸本文以五角十面双锥体作为五重轴硅团簇的基时，原有的平移对称性消失，准连续能带变为分立能级，能隙加宽，由原来的间接能隙跃迁转变为直接能隙跃迁。;HllHI等人［A，@］用密度泛函理论计算了多孔硅膜的带隙与纳米尺寸的关系。但JoDK等人［+］认为其中近表面电子态可能起了主要作用。与多孔硅膜等的制备方法不同，1>LDo.DMDLN［8］用硅蒸汽凝结方法制得了尺寸小于)**OL的纳米硅。他在部分这

4、种硅微粒的高分辨电镜的晶格象中，清晰观察到五重对称轴［B］。在约AOL的核心区内，晶格具有直到1*P的弹性应变，以填补由五个硅四面体堆成时产生的约+.FQ的失配角。这种具有五重对称轴的纳米硅，除具有结晶学理论研究意义外，也可能同其他纳米硅一样成为微型光器件的新材料。本文以五重轴硅团簇作为这种纳米硅的初级本计算模型，它是由五个硅四面体共同一棱构成。模型，用自洽场多重散射Cα方法（1,8?:1?Cα）计算为弥补形成时约+.FQ的失配角，在共底正五边中，各了这种硅团簇的电子能级；并分别用氢和氧原子在边伸长

5、1.8P，本文称这种模型为1D+体系。为模拟表面与五重轴硅团簇相结合，得到较大的偶极跃迁氢、氧原子对1D+体系的影响，在1D+体系中，于各1D能隙。同时，应用1lNRHS过渡态理论［1*］，结合1,8?原子所在位置的对称轴向外方向上，取一定长度的:1?Cα方法，计算了这种硅团簇分别与氢、氧结合成位置C。当-原子或3原子处在C位置时，分别称*收稿日期：)**1?*3?1A298原子与分子物理学报2001年为Si7H7体系和Si7O7体系，如图1所示，它们具有原子S（i1）、S（i2）与底边正五角形顶角

6、硅原子间的Dsh点群对称。由于S（i1）、S（i2）原子与其余5个硅距离，取大块硅晶体中最近邻原子间距：0.2350原子所处环境的差异，它们与X处原子间的键长也nm；考虑到约1.8%的弹性伸长，正五边形各顶角硅不相同，并分别用d1、d2表示。显然，当X处分别原子间距离取0.2393nm。填以H原子和O原子时，它们各自的d1、d2也不相在使用SCF-MS-Xα计算程序中，自洽过程单电同。所有这些d、d的恰当长度，将通过计算确定。子能量阈值取为10-5Ryd；对于价轨道计算，能量12实际测量表明，与大块

7、硅晶体相比较，纳米硅不存在步长为0.001Ryd。原子球半径由基于重迭球计算可觉察的晶格收缩［5］。因此在模型中，锥体两顶角模式的Norman［11］规则给出。其他有关参量列于表1。表1Si7及稳态Si7H7、Si7O7体系有关计算参量对称性不原子球半径R/nm-1交换关联常数α最大角量子数等价原子Si7Si7H7Si7O7Si7Si7H7Si7O7Lmax外球3.24024.09404.36330.727510.737460.737694S（i1）1.23061.18841.09250.72751

8、0.727510.727512S（i3）1.31091.24251.09980.7275100.727510.727512H（1）0.79140.777251H（3）0.77240.777251O（1）0.94850.74472O（3）0.93380.74472计算体系的价态轨道，由Si原子的3s及3p电子，H原子的1s电子和O原子的2s及2p电子所3计算结果贡献。对于Si7体系，除内层轨道外，其价轨道和空轨道总数为21。Si7H7和Si7O7体系的价轨道和空为计算S