Silikon nanotrådar är allmänt erkända som kandidater för användning i nästa generations sensorer, batterielektroder och solceller, och första principberäkningar är ett viktigt verktyg i utvecklingen av dessa applikationer. De flesta beräkningar som gjorts hittills har endast beaktat nanotrådar med diametrar mindre än 4 nanometer, även om det i praktiken nanotrådsenheter har vanligtvis mycket större diametrar.

Man-Fai Ng vid A*STAR Institute of High Performance Computing och medarbetare i Singapore har nu utfört första principberäkningar för att simulera egenskaperna hos kiselnanotrådar med diametrar upp till 7,3 nanometer (se bild). Forskarna har undersökt nanotrådar som sträcker sig från atomvågar (~ 1 nanometer diametrar) till gränsen för stor diameter, vid vilken tidpunkt de börjar likna bulk kisel. Forskarna studerade nanotrådbandgapet - en nyckelparameter som påverkar både elektriska och optiska egenskaper - och fann att detta minskade med ökande diameter. Simuleringsresultaten överensstämde med resultaten från experimentet, och trenden var mer förutsägbar vid större diametrar.

Ng och hans medarbetare studerade också hur de "direkta" och "indirekta" bandgapen förändras när kisel-nanotrådens diameter ökar. Bulk kisel har en indirekt bandgap, vilket innebär att exciteringen av en mobil laddningsbärare måste åtföljas av en samtidig förändring av dess momentum. Eftersom detta är relativt osannolikt, bulk kisel är en dålig absorberare och avger ljus. Halvledare med direkta bandgap, å andra sidan, är optiskt aktiva. Teamet av undersökare fann att nanotrådbandgaps av kisel antog indirekta egenskaper över diametrar på cirka 4 nanometer, och direkta egenskaper för mindre diametrar.

Forskarna kunde också beräkna hur nanotrådens diameter påverkar placeringen av dopande atomer längs nanotrådsradien. "Utländska atomer som bor används för att öka tätheten av mobila laddningar, och deras exakta plats kan ha en stark effekt på nanotrådsbeteende, ”Säger Ng. "Vi visade att bor-dopande atomer är mer sannolikt att hittas i både nanotrådskärnan och ytan i nanotrådar med större diameter, och främst vid ytan för mindre diametrar. ”

Ng och hans medarbetare föreställer sig att belysning av förhållandet mellan bandgap och diameter kommer att vara användbart för utvecklingen av nanoskala kiselanordningar. Arbetet är också viktigt som ett principbevis. "När beräkningsresurserna fortsätter att förbättras och sjunka i pris, efterfrågan på första-princip-simuleringar av storskaliga problem kommer att växa. Vårt arbete visar att det är möjligt att lösa ett sådant problem, ”Säger Ng.