半導(dǎo)體所在硅上In線的光致相變機(jī)理研究中獲進(jìn)展

來源：半導(dǎo)體研究所

自20世紀(jì)初期，量子理論對技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。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(yīng)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(chǎn)生，推動(dòng)了整個(gè)非平衡超快動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。超快現(xiàn)象在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域備受關(guān)注，例如光致相變、光誘導(dǎo)退磁、高能離子碰撞和分子化學(xué)反應(yīng)等。非平衡超快領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究成果頗豐，已成為熱點(diǎn)。然而，實(shí)驗(yàn)不能給出原子尺度的原子/分子位移，故關(guān)于激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知存在爭議。為了探討超快動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，理論模擬至關(guān)重要。為推動(dòng)超快領(lǐng)域的發(fā)展以及揭開超快動(dòng)力學(xué)過程中的諸多謎團(tuán)，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所駱軍委團(tuán)隊(duì)和汪林望團(tuán)隊(duì)合作發(fā)展了一系列含時(shí)演化的算法，并將這些算法應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

近期，科研人員將此算法應(yīng)用到Si的(111)表面In線相變中，解決了實(shí)驗(yàn)上的較多爭議。Si的(111)表面上吸附單個(gè)銦原子層，在室溫下形成Si(111)-(4×1)-In兩個(gè)平行鋸齒形In鏈組成的量子線結(jié)構(gòu)（圖1b），具有金屬性質(zhì)。當(dāng)溫度降低到125 K以下，In原子重新排列成具有（8×2）重構(gòu)的四重晶胞扭曲六邊形（圖1a），伴隨周期性晶格畸變產(chǎn)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(dǎo)體）（圖1c）。激光脈沖輻照可以實(shí)現(xiàn)硅上In線在半導(dǎo)體相與金屬相間的超快轉(zhuǎn)變。然而，激光脈沖輻照下的硅上In線在轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體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(gè)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(jī)理。該工作利用含時(shí)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(dòng)力學(xué)過程，在理論上重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中（圖1g）觀察的半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)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(jià)電子激發(fā)到In線的表面態(tài)S1和S2導(dǎo)帶，且由于S1和S2能帶來自單個(gè)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(qū)動(dòng)In原子朝著半導(dǎo)體相運(yùn)動(dòng)，在晶格周期下In原子的集成運(yùn)動(dòng)形成CDW相干聲子模式，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相變（圖3、4）。研究表明，在轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體相后，S1和S2能帶切換為跨越兩個(gè)鋸齒In鏈上的原子，這種能帶成分的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致原子驅(qū)動(dòng)力的方向旋轉(zhuǎn)約π/6，阻止In原子在CDW聲子模式中的集體運(yùn)動(dòng)。該研究從局域原子驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行解釋，為光致相變過程提供了更簡單的物理圖像，為實(shí)驗(yàn)調(diào)控結(jié)構(gòu)相變提供了直觀的理論指導(dǎo)。上述模擬均可在PWmat軟件中實(shí)現(xiàn)。

相關(guān)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(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

「鏈接」

圖1.光誘導(dǎo)半導(dǎo)體相（CDW）到金屬相相變的動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)對比

圖2.原子結(jié)構(gòu)、原子受力和光激發(fā)電子分布隨時(shí)間的演化

蘇州會(huì)議

雅時(shí)國際(ACT International)將于2023年5月,在蘇州組織舉辦主題為“2023-半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和機(jī)遇大會(huì)”。會(huì)議包括兩個(gè)專題：半導(dǎo)體制造與封裝、化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用。分別以“CHIP China晶芯研討會(huì)”和“化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用大會(huì)”兩場論壇的形式同時(shí)進(jìn)行。詳情點(diǎn)擊鏈接查看：https://w.lwc.cn/s/7jmaMn

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審核編輯黃宇