Ab initio study on manipulation of Si(n)C(m) clusters with electric fields

Abstract

Si(n) clusters tend to have three-dimensional cage like structures, while C(n) clusters have linear structures for odd n and ring structures for even n. Thus, the mixed clusters, Si(n)C(m), are expected to have some interesting structures and electronic properties. In order to study the relation between the structures and electric polarizability of Si(n)C(5 - n) (n = 0, 1, 2, 3, 4, 5), the first-principles supercell (cubic with length of 22 a.u.) calculations have been performed using the local density approximation and the pseudopotential plane wave method. At first, the structures of six kinds of clusters, C5, SiC4, Si2C3, Si3C2, Si4C and Si5, are optimized. C5, SiC4 and Si2C3 have linear chain structures, Si3C2 has a deformed pentagon shape, Si4C resembles to Si5 in shape, and Si5 has three-dimensional trigonal bipyramidal geometry. The polarizability tensors of Si(n)C(5 - n) are calculated by applying a low electric field to the clusters. The averaged polarizability per atom decreases only when n changes from 2 to 3, reflecting the structural change of cluster from one-dimensional to two-dimensional. When high electric fields are applied, the electron transfer from C atoms to Si atoms occurs due to the difference in the electronegativity between Si and C atoms. The results of the computation under the application of an electric field of 1 V/angstrom indicate that the linear chain of Si2C3 cluster becomes bent, enabling a theoretical manipulation of the shape of the clusters.

Si(n)クラスタは3次元的かご状構造となる傾向を有し、C(n)クラスタは、nが奇数では直線状構造、nが偶数では環状構造となる。それゆえ、混合クラスタSi(n)C(m)は興味ある構造と電子的特性を持つことが期待される。Si(n)C(5-n)(n=0,1,2,3,4,5)の構造と電気的分極率との関係を調べるため、局所密度近似(LDA)と擬ポテンシャル平面波法を用い、スーパーセル(長さ22a.u.の立方体)の第一原理計算を行った。まず、C5、SiC4、Si2C3、Si3C2、Si4C、Si5の6種類のクラスタの構造を最適化した。C5、SiC4、Si2C3は直線鎖状構造、Si3C2は変形した5角形、Si4Cの形状はSi5に似ており、Si5の形状は3次元的な3方晶双ピラミッド形であった。クラスタに低い電場を印加してSi(n)C(5-n)の分極率テンソルを計算した。1原子当りの平均分極率は、nが2から3に変る時にだけ減少し、これは1次元から2次元へのクラスタの構造変化を反映するものである。高い電場(1V/オングストローム)を印加すると、Si原子とC原子の電気陰性度の差によってSi原子からC原子への電子移行が起こり、Si2C3の直線鎖は湾曲することが、計算上明らかになり、理論的なクラスタの操作が可能であった。