Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

Прохоренко А. В., младший научный сотрудник лаборатории моделирования квантовых процессов, эл. почта: aimpva@pnu.edu.ru

Гниденко А. А., научный сотрудник лаборатории моделирования квантовых процессов, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: agnidenko@mail.ru

Вычислительный центр ДВО РАН, Хабаровск, Россия
Чибисов А. Н., ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного компьютерного моделирования новых материалов, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: andreichibisov@yandex.ru
Чибисова М. А., старший научный сотрудник лаборатории многомасштабного компьютерного моделирования новых материалов, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: omariya2003@yandex.ru

Индийский институт информационных технологий и управления, Гвалиор, Индия

Cривастава А., сотрудник группы передовых материалов CNT Lab, PhD, профессор

Рассмотрены физические свойства трех модификаций кремния, одной из них является двуслойная структура с примитивной орторомбической кристаллической решеткой, полученная с помощью предсказательного моделирования. Изначально рассмотрено 100 сгенерированных конфигураций, и выбор конкретной структуры обусловлен наибольшей энергетической выгодностью по сравнению с другими. В дальнейшем с помощью квантово-механических расчетов, основанных на теории функционала плотности и методе псевдопотенциалов, определены равновесные свойства объемной гране центрированной ячейки кубического кремния (Fd-3m), силицена (P-3m1) и новой двумерной фазы кремния (Pmma). Получены значения энтальпии для каждой конфигурации кремния. Рассчитаны энергии формирования и когезии структур. При сравнении аллотропа кремния и силицена отмечено, что новая модификация является энергетически выгодной, а также имеет большую вероятность для устойчивого существования и требует меньше энергии для формирования своей структуры. Энергия когезии указывает на более прочную межатомную связь в решетке аллотропа. Следует отметить, что наиболее стабильным остается кремний в виде классической объемной гранецентрированной решетки. Самостоятельно монослой силицена вступает в активную реакцию с окружающими материалами, поэтому экспе рименты с ним затруднены. Его двумерная структура имеет особенность сгибаться, что приводит к изменению электронных свойств. В свободном виде получить его достаточно сложно, и как правило, его используют с подложкой, на которой он был выращен. В связи с этим появилась необходимость в поиске другого аллотропного соединения кремния. Представленные результаты имеют перспективное значение для проектирования и синтеза в технологии производства новых квантовых материалов.

Исследование атомной и электронной структуры выполнено в соответствии с Государственным заданием Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект FEME-2024-0005). Расчеты проведены с использованием алгоритмов, разработанных в рамках Государственного задания Вычислительного центра ДВО РАН (ВЦ ДВО РАН). Исследования выполнены с использованием ресурсов ЦКП «Центр данных ДВО РАН».

1. Любутин С. К., Патраков В. Е., Рукин С. Н., Словиковский Б. Г., Цыранов С. Н. Пространственная неоднородность ударно-ионизационного переключения силового кремниевого диода // Физика и техника полупроводников. 2023. T. 57, Вып. 7. С. 594–602.
2. Xu H., Dai D., Shi Y. Silicon integrated nanophotonic devices for on-chip multi-mode interconnects // Appl. Sci. 2020. Vol. 10, Iss. 18. 6365.
3. Свяховский С. Е., Пышков Н. И. Фотонные кристаллы с произвольным числом фотонных запрещенных зон на основе пористого оксида кремния с плавным изменением показателя преломления // Оптика и спектроскопия. 2023. T. 131, Вып. 8. С. 1128–1132.
4. Лозовой К. А., Дирко В. В., Винарский В. П., Коханенко А. П., Войцеховский А. В., Акименко Н. Ю. Двумерные материалы на основе элементов группы IVA: последние достижения в эпитаксиальных методах синтеза // Известия вузов. Физика. 2021. Т. 64, № 9. С. 3–10.

5. Аюбов Л. Ю., Клинцевич Р. И., Шайлиев Р. Ш. Способы формирования новых материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2009. № 3. С. 127.
6. Ermolaev G., Voronin K., Baranov D. G. et al. Topological phase singularities in atomically thin high-refractive-index materials // Nat. Commun. 2022. Vol. 13. 2049.
7. Новоселов К. С. Графен: материалы Флатландии // Успехи физических наук. 2011. Т. 181, № 12. С. 1299–1311.
8. Liu Z., Sofia S. E., Laine H. S., Woodhouse M., Wieghold S., Peters I. M., Buonassisi T. Revisiting thin silicon for photovoltaics: a technoeconomic perspective // Energy Environ. Sci. 2020. Vol. 13. Р. 12–23.
9. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47. 558.
10. Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set // Comput. Mater. Sci. 1996. Vol. 6. P. 15–50.
11. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. 11169.
12. Dudarev S. L., Botton G. A., Savrasov S. Y., Humphreys C. J., Sutton A. P. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57. 1505.
13. Blöchl P. E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. 17953.
14. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 59. 1758.
15. Hobbs D., Kresse G., Hafner J. Fully unconstrained noncollinear magnetism within the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. 11556.
16. Monkhorst H. J. and Pack J. D. Special points for brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1976. Vol. 13. P. 5188–5192.
17. Gnidenko A. A., Chibisov A. N., Chibisova M. A., Prokhorenko A. V. Quantum mechanical modelling of phosphorus qubits in silicene under constrained magnetization // RSC Advances. 2021. Vol. 11, Iss. 54. P. 33890–33894.