The electronic and optical properties of porous silicon are studied through first-principles pseudopotential calculations within the local-density functional approximation. To find the origin of photoluminescence, H-terminated silicon wells and wires are employed. We find that highly efficient and visible luminescences of porous silicon result from the quantum confinement effect and the surface-related features. Relatively localized states at the surfaces give strong optical transitions. The role of the hydrogen-passivated surfaces is emphasized.
가시광선 영역에서 효율적인 발광특성을 보이는 다공질 실리콘의 광학적 성질을 제일원리 쑤도포텐샬 방법을 통하여 연구 하였다. 다공질 실리콘의 모형으로서 2차원 양자 우물 (quantum well) 구조와 1차원 양자 세선 (quantum wire) 구조를 택하였고, 각각 크기를 다르게 해가면서 특성들을 고찰하였다. 차원이 작아지고 크기가 작아지면서 양자적 감금 효과 (quantum confinement effect) 가 크게 작용하여 밴드 갭 에너지 (band gap energy) 가 커지고 직접천이 구조가 된다. 뿐만 아니라, 밴드 구조가 보다 평행하게 되어 광자에 의한 천이가 아주 잘 일어날 수 있는 조건을 갖춘다. 감금에 의하여 격자의 균형이 깨어지게 됨으로써, 표면 부근에 국재화 상태 (localized state)가 생길 수 있고, 또한 표면을 비활성화시키고 있는 수소 원자들은 전자를 표면 부근으로 몰려들게 만든다. 이처럼 비교적 표면 부근에 국재화 되어있는 상태들 간에 천이가 잘 일어나게 되는데, 이것이 격자 상태의 실리콘에서는 나타나지 않는 흡수 영역을 주게 된다. 유전 상수의 허수 부분을 계산함으로써 이 사실을 확인 할 수 있었고, 실험에서 나타나는 결과들과 비교하였을때 아주 잘 일치 하였다. 그러므로, 다공질 실리콘에서 나타나는 발광 특성은 양자적 감금 효과 뿐만 아니라, 수소에 의해서 비활성화 되어있는 표면의 역할에 의한 것이라고 말할 수 있다.
