Metal‐like Band Structures of Ultrathin Si {111} and {112} Surface Layers Revealed through Density Functional Theory Calculations

半金属 材料科学 电子能带结构 带隙 面(心理学) 直接和间接带隙 密度泛函理论 准费米能级 凝聚态物理 半导体 带材弯曲 分子物理学 化学 计算化学 光电子学 物理 心理学 社会心理学 人格 五大性格特征
作者
Chih‐Shan Tan,Michael H. Huang
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:23 (49): 11866-11871 被引量:51
标识
DOI:10.1002/chem.201701886
摘要

Density functional theory calculations have been performed on Si (100), (110), (111), and (112) planes with tunable number of planes for evaluation of their band structures and density of states profiles. The purpose is to see whether silicon can exhibit facet-dependent properties derived from the presence of a thin surface layer having different band structures. No changes have been observed for single to multiple layers of Si (100) and (110) planes with a consistent band gap between the valence band and the conduction band. However, for 1, 2, 4, and 5 Si (111) and (112) planes, metal-like band structures were obtained with continuous density of states going from the valence band to the conduction band. For 3, 6, and more Si (111) planes, as well as 3 and 6 Si (112) planes, the same band structure as that seen for Si (100) and (110) planes has been obtained. Thus, beyond a layer thickness of five Si (111) planes at ≈1.6 nm, normal semiconductor behavior can be expected. The emergence of metal-like band structures for the Si (111) and (112) planes are related to variation in Si-Si bond length and bond distortion plus 3s and 3p orbital electron contributions in the band structure. This work predicts possession of facet-dependent electrical properties of silicon with consequences in FinFET transistor design.
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