日本物理学会2002年9月 領域9(表面・界面、結晶成長分野) 概要集原稿
9aSP-4
Si(001)面における大規模電子構造計算と微視的描像
東大工 星健夫, 下司雅章, 藤原毅夫
Large-scale electronic-structure calculations of Si (001) surfaces and its microscopic picture
Dept. of Appl. Phys., Univ. of To kyo, Takeo Hoshi, Masaaki Geshi, Takeo Fujiwara


我々はこれまで、大規模電子構造計算における手法開発と 応用を行ってきた。 この手法は、第一原理(カーパリネロ)分子動力学法と 古典分子動力学法との橋渡しをする理論ともみなせる[1](関連講演7aTC-2)。
応用として、 シリコンの(001)方向の脆性破壊シミュレーションを行い、 (001)面における非対称ダイマーの生成を見た。 さらに得られた波動関数を解析し、以下のような、 ダイマーの非対称性に関する微視的描像を得た。
シリコンの電子構造が、 (a)結合エネルギーと(b) sp反混成エネルギーとの競合として特徴づけられることは、 古くから知られている [2]。 タイトバインディングハミルトニアンでは、 両者は量的に定義でき、その比は「金属度」(metallicity) $\alpha_{\rm m}$と呼ばれることもある。 これはある種のスケーリング理論とみなせ、 この比を変えることにより、周期率表の 「縦」の(つまりC, Si, Geなどを区別する)自由度を連続的に変えることができる[1]。 (001)面のダイマー構造において、上記理論をもちいて連続的にハミルトニアンを変化させたところ、 対称・非対称転移がおこった(図)。 これは、周期率表の「縦」の自由度を再現するものであり、 同時に、Si(001)面における非対称ダイマーの発現は、 上記のエネルギー競合の結果ととらえることができる。 これらは、物理的な微視的描像を与えると同時に、 プロセス理論の基礎をなすものである。関連した計算結果も、あわせて報告する。

[1] Hoshi and Fu jiwara,JPSJ 69, 3773 (2000); Trans. of MRSJ, 27, 301 (2002).

[2] レビューとして、Phillips, RMP 42, 317 (1970).

図:(001)面ダイマーにおける非対称性。グラフの左右が周期律表の上下に対応している。 $\theta$は非対称(チルト)角。$\phi$は、真空側の原子についた2つのバックボンドからなる面と、ダイマーボンドとの角度。Cでは対称ダイマー($\theta \! \approx \! 0$)であり、Si, Geでは$\phi \! \approx \! 90$°で特徴づけられる、非対称ダイマーになっている。 ハミルトニアン行列要素からは、$\alpha_{\rm m} \! \approx \! 0.67$で 対称・非対称転移がおこると見積もられる。