Les nanofils de silicium sont largement reconnus comme candidats à une utilisation dans les capteurs de nouvelle génération, électrodes de batterie et cellules solaires, et les calculs de premier principe sont un outil important dans le développement de ces applications. La plupart des calculs effectués jusqu'à présent n'ont considéré que des nanofils de diamètre inférieur à 4 nanomètres, bien qu'en pratique, les dispositifs à nanofils ont généralement des diamètres beaucoup plus grands.

Man-Fai Ng de l'A*STAR Institute of High Performance Computing et ses collègues de Singapour ont maintenant effectué des calculs de premier principe pour simuler les propriétés des nanofils de silicium d'un diamètre allant jusqu'à 7,3 nanomètres (voir image). Les chercheurs ont examiné des nanofils allant des échelles atomiques (diamètre d'environ 1 nanomètre) à la limite des grands diamètres, à quel point ils commencent à ressembler à du silicium en vrac. Les chercheurs ont étudié la bande interdite des nanofils - un paramètre clé qui affecte à la fois les propriétés électriques et optiques - et ont découvert qu'elle diminuait avec l'augmentation du diamètre. Les résultats de la simulation étaient cohérents avec ceux obtenus à partir de l'expérience, et la tendance était plus prévisible à des diamètres plus grands.

Ng et ses collègues ont également étudié comment les bandes interdites « directes » et « indirectes » changent lorsque le diamètre du nanofil de silicium augmente. Le silicium en vrac a une bande interdite indirecte, ce qui signifie que l'excitation d'un porteur de charge mobile doit s'accompagner d'un changement simultané de sa quantité de mouvement. Parce que c'est relativement peu probable, le silicium en vrac est un mauvais absorbeur et émetteur de lumière. Semi-conducteurs à bande interdite directe, d'autre part, sont optiquement actifs. L'équipe de chercheurs a découvert que les bandes interdites des nanofils de silicium assumaient des caractéristiques indirectes supérieures à des diamètres d'environ 4 nanomètres, et des caractéristiques directes pour les plus petits diamètres.

Les chercheurs ont également pu calculer la manière dont le diamètre du nanofil affecte l'emplacement des atomes dopants le long du rayon du nanofil. "Les atomes étrangers comme le bore sont utilisés pour augmenter la densité des charges mobiles, et leur emplacement exact peut avoir un effet important sur le comportement des nanofils, " dit Ng. « Nous avons montré que les atomes de bore dopant sont plus susceptibles de se trouver à la fois au cœur et à la surface du nanofil dans les nanofils de plus grand diamètre, et principalement en surface pour les plus petits diamètres.

Ng et ses collègues envisagent que l'élucidation de la relation entre la bande interdite et le diamètre sera utile pour le développement de dispositifs en silicium à l'échelle nanométrique. Le travail est également important comme preuve de principe. « Alors que les ressources de calcul continuent de s'améliorer et de baisser leurs prix, la demande de simulations fondées sur les premiers principes de problèmes à grande échelle augmentera. Notre travail démontre la faisabilité de résoudre un tel problème, " dit Ng.