Los nanocables de silicio son ampliamente reconocidos como candidatos para su uso en sensores de próxima generación, electrodos de batería y células solares, y los cálculos de primer principio son una herramienta importante en el desarrollo de estas aplicaciones. La mayoría de los cálculos realizados hasta ahora solo han considerado nanocables con diámetros inferiores a 4 nanómetros, aunque en la práctica, Los dispositivos de nanocables suelen tener diámetros mucho mayores.

Man-Fai Ng del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento y sus colaboradores en Singapur han realizado ahora cálculos de primer principio para simular las propiedades de los nanocables de silicio con diámetros de hasta 7,3 nanómetros (ver imagen). Los investigadores han examinado nanocables que van desde escalas atómicas (diámetros de ~ 1 nanómetro) hasta el límite de gran diámetro, momento en el que comienzan a parecerse al silicio a granel. Los investigadores estudiaron la banda prohibida de los nanocables, un parámetro clave que afecta las propiedades eléctricas y ópticas, y descubrieron que disminuía al aumentar el diámetro. Los resultados de la simulación fueron consistentes con los obtenidos del experimento, y la tendencia era más predecible en diámetros mayores.

Ng y sus colaboradores también estudiaron cómo cambian los espacios entre bandas "directos" e "indirectos" cuando aumenta el diámetro del nanoalambre de silicio. El silicio a granel tiene una banda prohibida indirecta, lo que significa que la excitación de un portador de carga móvil debe ir acompañada de un cambio simultáneo en su impulso. Debido a que esto es relativamente poco probable, El silicio a granel es un mal absorbedor y emisor de luz. Semiconductores con bandgaps directos, por otra parte, son ópticamente activos. El equipo de investigadores descubrió que los huecos de banda de nanocables de silicio asumían características indirectas por encima de diámetros de alrededor de 4 nanómetros. y características directas para diámetros más pequeños.

Los investigadores también pudieron calcular la forma en que el diámetro de los nanocables afecta la ubicación de los átomos dopantes a lo largo del radio de los nanocables. “Los átomos extraños como el boro se utilizan para aumentar la densidad de las cargas móviles, y su ubicación exacta puede tener un fuerte efecto en el comportamiento de los nanocables, ”Dice Ng. “Demostramos que es más probable que los átomos dopantes de boro se encuentren tanto en el núcleo del nanocable como en la superficie de los nanocables de mayor diámetro, y principalmente en la superficie para diámetros más pequeños ”.

Ng y sus colaboradores prevén que dilucidar la relación entre bandgap y diámetro será útil para el desarrollo de dispositivos de silicio a nanoescala. El trabajo también es significativo como prueba de principio. “A medida que los recursos computacionales continúan mejorando y bajando de precio, Aumentará la demanda de simulaciones de primeros principios de problemas a gran escala. Nuestro trabajo demuestra la viabilidad de abordar uno de esos problemas, ”Dice Ng.