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硅中原子尺度量子点理论：硅表面悬挂键量子点

DOI：10.1016/j.ssc.2019.113752 期刊：Solid State Communications 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52

摘要： 我们提出了一种理论及计算工具Silicon-Qnano，用于描述硅中的原子尺度量子点。该研究方法被应用于模拟在钝化H:Si-(100)-(2×1)表面通过移除氢原子形成的悬键量子点(DBQD)。通过将DBQD嵌入硅原子计算盒中进行电子性质计算，该计算盒表面采用Abinit软件包中的密度泛函理论构建：顶层通过形成氢钝化的硅二聚体实现重构，底层保持非重构状态并完全饱和氢原子。通过将电子波函数展开为原子轨道线性组合，并将能带结构拟合至第一性原理结果，计算盒哈密顿量被近似为紧束缚(TB)哈密顿量。该参数化TB哈密顿量用于模拟超过当前第一性原理计算能力的大规模有限Si(100)盒体(薄片)。从重构表面移除一个氢原子后，形成了波函数强烈局域在硅原子周围且能量位于硅带隙中的DBQD态。该DBQD可承载零个、一个或两个电子。通过计算库仑矩阵元，获得了DBQD中双电子复合体的充电能。

关键词： A. 硅表面 D. 紧束缚模型 D. 悬键 A. 半导体

作者： Alain Delgado Gran，Marek Korkusinski，Pawel Hawrylak

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研究概述实验方案设备清单

研究目的

提出一种理论和计算工具——Silicon-Qnano，用于描述硅中的原子尺度量子点，特别关注通过在钝化的H:Si-(100)-(2×1)表面移除一个氢原子而形成的悬挂键量子点（DBQDs）。

研究成果

该研究成功开发了一个可扩展的计算平台"Silicon-Qnano"，用于模拟硅基原子尺度量子器件，特别聚焦于双量子点(DBQD)。研究表明该DBQD最多可容纳两个电子，并预测了相应的充电能。对于少量硅原子的计算结果与从头算方法高度吻合，且该平台能处理涉及数万个原子的计算。

研究不足

该研究未考虑纳米线一维特性所特有的派尔斯畸变和二聚化效应，这超出了本工作范畴。此外，由于电荷过度局域化，未对去钝化硅原子的原子位置进行重新优化。

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