I nanofili di silicio sono ampiamente riconosciuti come candidati per l'uso nei sensori di prossima generazione, elettrodi per batterie e celle solari, e i calcoli del primo principio sono uno strumento importante nello sviluppo di queste applicazioni. La maggior parte dei calcoli eseguiti finora ha considerato solo nanofili con diametri inferiori a 4 nanometri, anche se in pratica i dispositivi a nanofili hanno tipicamente diametri molto più grandi.

Man-Fai Ng dell'A*STAR Institute of High Performance Computing e colleghi di Singapore hanno ora eseguito calcoli di primo principio per simulare le proprietà dei nanofili di silicio con diametri fino a 7,3 nanometri (vedi immagine). I ricercatori hanno esaminato nanofili che vanno da scale atomiche (~ 1 nanometro di diametro) al limite di grande diametro, a quel punto iniziano ad assomigliare al silicio sfuso. I ricercatori hanno studiato il bandgap dei nanofili, un parametro chiave che influenza le proprietà elettriche e ottiche, e hanno scoperto che questo diminuiva con l'aumentare del diametro. I risultati della simulazione erano coerenti con quelli ottenuti dall'esperimento, e la tendenza era più prevedibile a diametri maggiori.

Ng e i suoi collaboratori hanno anche studiato come cambiano i bandgap "diretti" e "indiretti" quando aumenta il diametro del nanofilo di silicio. Il silicio sfuso ha un bandgap indiretto, il che significa che l'eccitazione di un vettore di carica mobile deve essere accompagnata da un cambiamento simultaneo del suo slancio. Poiché questo è relativamente improbabile, il silicio sfuso è un povero assorbitore ed emettitore di luce. Semiconduttori con bandgap diretti, d'altra parte, sono otticamente attivi. Il team di ricercatori ha scoperto che i bandgap dei nanofili di silicio assumevano caratteristiche indirette al di sopra di diametri di circa 4 nanometri, e caratteristiche dirette per diametri più piccoli.

I ricercatori sono stati anche in grado di calcolare il modo in cui il diametro del nanofilo influenza la posizione degli atomi droganti lungo il raggio del nanofilo. “Gli atomi estranei come il boro sono usati per aumentare la densità delle cariche mobili, e la loro posizione esatta può avere un forte effetto sul comportamento dei nanofili, "dice Ng. “Abbiamo dimostrato che è più probabile che gli atomi droganti di boro si trovino sia sul nucleo del nanofilo che sulla superficie dei nanofili di diametro maggiore, e principalmente in superficie per diametri più piccoli.”

Ng ei suoi collaboratori prevedono che chiarire la relazione tra bandgap e diametro sarà utile per lo sviluppo di dispositivi in ​​silicio su scala nanometrica. L'opera è significativa anche come prova di principio. “Poiché le risorse computazionali continuano a migliorare e a diminuire di prezzo, crescerà la domanda di simulazioni dei primi principi di problemi su larga scala. Il nostro lavoro dimostra la fattibilità di affrontare uno di questi problemi, "dice Ng.