Siliciumnanodraden worden algemeen erkend als kandidaten voor gebruik in sensoren van de volgende generatie, batterijelektroden en zonnecellen, en eerste-principe berekeningen zijn een belangrijk hulpmiddel bij de ontwikkeling van deze toepassingen. De meeste berekeningen die tot nu toe zijn uitgevoerd, hebben alleen rekening gehouden met nanodraden met een diameter van minder dan 4 nanometer, hoewel in de praktijk nanodraadapparaten hebben doorgaans veel grotere diameters.

Man-Fai Ng van het A*STAR Institute of High Performance Computing en collega's in Singapore hebben nu eerste-principe berekeningen uitgevoerd om de eigenschappen van silicium nanodraden met een diameter tot 7,3 nanometer te simuleren (zie afbeelding). De onderzoekers hebben nanodraden onderzocht, variërend van atomaire schalen (~ 1 nanometer diameter) tot de limiet met grote diameter, op welk punt ze beginnen te lijken op bulksilicium. De onderzoekers bestudeerden de nanodraadbandgap - een belangrijke parameter die zowel elektrische als optische eigenschappen beïnvloedt - en ontdekten dat deze afnam met toenemende diameter. De simulatieresultaten waren consistent met die verkregen uit experiment, en de trend was voorspelbaarder bij grotere diameters.

Ng en zijn collega's onderzochten ook hoe de 'directe' en 'indirecte' bandgaps veranderen wanneer de diameter van de silicium nanodraad groter wordt. Bulksilicium heeft een indirecte bandgap, wat betekent dat de excitatie van een mobiele ladingsdrager gepaard moet gaan met een gelijktijdige verandering in zijn momentum. Omdat dit relatief onwaarschijnlijk is, bulksilicium is een slechte absorber en emitter van licht. Halfgeleiders met directe bandgaps, anderzijds, optisch actief zijn. Het team van onderzoekers ontdekte dat bandgaps van silicium nanodraad indirecte kenmerken aannamen boven diameters van ongeveer 4 nanometer, en directe eigenschappen voor kleinere diameters.

De onderzoekers konden ook berekenen op welke manier de diameter van de nanodraad de locatie van doteringsatomen langs de straal van de nanodraad beïnvloedt. “Buitenlandse atomen zoals boor worden gebruikt om de dichtheid van mobiele ladingen te verhogen, en hun exacte locatie kan een sterk effect hebben op het gedrag van nanodraad, ’ zegt Ng. "We hebben aangetoond dat boor-doterende atomen vaker worden aangetroffen in zowel de kern van de nanodraad als het oppervlak in nanodraden met een grotere diameter, en vooral aan de oppervlakte voor kleinere diameters.”

Ng en zijn collega's denken dat het ophelderen van de relatie tussen bandgap en diameter nuttig zal zijn voor de ontwikkeling van siliciumapparaten op nanoschaal. Het werk is ook belangrijk als proof of principle. "Naarmate de computerbronnen blijven verbeteren en in prijs dalen, de vraag naar first-principles-simulaties van grootschalige problemen zal groeien. Ons werk toont de haalbaarheid aan van het aanpakken van een dergelijk probleem, ’ zegt Ng.