半導體所在硅上In線的光致相變機理研究中獲進展

來源：半導體研究所

自20世紀初期，量子理論對技術發(fā)展做出了重大貢獻。盡管量子理論取得了成功，但由于缺乏非平衡量子系統(tǒng)的框架，其應用主要限于平衡系統(tǒng)。超短激光脈沖和自由電子加速器X射線的產生，推動了整個非平衡超快動力學領域的發(fā)展。超快現(xiàn)象在物理、化學和生物等領域備受關注，例如光致相變、光誘導退磁、高能離子碰撞和分子化學反應等。非平衡超快領域的實驗研究成果頗豐，已成為熱點。然而，實驗不能給出原子尺度的原子/分子位移，故關于激發(fā)態(tài)動力學的認知存在爭議。為了探討超快動力學現(xiàn)象，理論模擬至關重要。為推動超快領域的發(fā)展以及揭開超快動力學過程中的諸多謎團，中國科學院半導體研究所駱軍委團隊和汪林望團隊合作發(fā)展了一系列含時演化的算法，并將這些算法應用于不同領域。

近期，科研人員將此算法應用到Si的(111)表面In線相變中，解決了實驗上的較多爭議。Si的(111)表面上吸附單個銦原子層，在室溫下形成Si(111)-(4×1)-In兩個平行鋸齒形In鏈組成的量子線結構（圖1b），具有金屬性質。當溫度降低到125 K以下，In原子重新排列成具有（8×2）重構的四重晶胞扭曲六邊形（圖1a），伴隨周期性晶格畸變產生一維電荷密度波（CDW），并打開帶隙成為凝聚態(tài)物理中的絕緣體相（窄禁帶半導體）（圖1c）。激光脈沖輻照可以實現(xiàn)硅上In線在半導體相與金屬相間的超快轉變。然而，激光脈沖輻照下的硅上In線在轉變?yōu)榘雽w相變后其相干聲子振蕩快速衰減，未出現(xiàn)其他量子相變材料中普遍存在的兩個相間來回振蕩的現(xiàn)象。

為了研究硅上In線在光致相變后相干聲子振蕩快速衰減的微觀機理。該工作利用含時密度泛函理論（rt-TDDFT）方法模擬了硅上In線(In/Si(111))在激光脈沖輻照下的動力學過程，在理論上重現(xiàn)了實驗中（圖1g）觀察的半導體相轉變?yōu)榻饘傧嗟某爝^程（圖1、2）。研究發(fā)現(xiàn)，激光脈沖把硅中的價電子激發(fā)到In線的表面態(tài)S1和S2導帶，且由于S1和S2能帶來自單個In鋸齒鏈上In dimer的成鍵態(tài)，光激發(fā)形成使該In dimer變長的原子力，驅動In原子朝著半導體相運動，在晶格周期下In原子的集成運動形成CDW相干聲子模式，導致結構相變（圖3、4）。研究表明，在轉變?yōu)榘雽w相后，S1和S2能帶切換為跨越兩個鋸齒In鏈上的原子，這種能帶成分的轉換導致原子驅動力的方向旋轉約π/6，阻止In原子在CDW聲子模式中的集體運動。該研究從局域原子驅動力進行解釋，為光致相變過程提供了更簡單的物理圖像，為實驗調控結構相變提供了直觀的理論指導。上述模擬均可在PWmat軟件中實現(xiàn)。

相關研究成果以Origin of Immediate Damping of Coherent Oscillations in Photoinduced Charge-Density-Wave Transition為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學基金國家杰出青年科學基金項目、中科院前沿科學重點研究計劃和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。

「鏈接」

圖1.光誘導半導體相（CDW）到金屬相相變的動力學模擬及實驗對比

圖2.原子結構、原子受力和光激發(fā)電子分布隨時間的演化

蘇州會議

雅時國際(ACT International)將于2023年5月,在蘇州組織舉辦主題為“2023-半導體先進技術創(chuàng)新發(fā)展和機遇大會”。會議包括兩個專題：半導體制造與封裝、化合物半導體先進技術及應用。分別以“CHIP China晶芯研討會”和“化合物半導體先進技術及應用大會”兩場論壇的形式同時進行。詳情點擊鏈接查看：https://w.lwc.cn/s/7jmaMn

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審核編輯黃宇