論文の概要: Resonant states and nuclear dynamics in solid-state systems: the case of silicon-hydrogen bond dissociation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.00634v1
• Date: Sat, 29 Nov 2025 21:11:25 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.335794
• Title: Resonant states and nuclear dynamics in solid-state systems: the case of silicon-hydrogen bond dissociation
• Title（参考訳）: 固体系における共鳴状態と核動力学--シリコン-水素結合解離の場合
• Authors: Woncheol Lee, Mark E. Turiansky, Dominic Waldhör, Byounghak Lee, Tibor Grasser, Chris G. Van de Walle,
• Abstract要約: 高エネルギーキャリアの存在下でのボンド破壊は、物理学や化学における多くの重要な現象の中心である。 解離過程の包括的理論的枠組みを導入し,非断熱的アプローチの必要性を強調した。 シリコン-水素結合溶解は, 熱キャリア劣化の第一過程である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.024629531282150872
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Bond breaking in the presence of highly energetic carriers is central to many important phenomena in physics and chemistry, including radiation damage, hot-carrier degradation, activation of dopant-hydrogen complexes in semiconductors, and photocatalysis. Describing these processes from first principles has remained an elusive goal. Here we introduce a comprehensive theoretical framework for the dissociation process, emphasizing the need for a non-adiabatic approach. We benchmark the results for the case of silicon-hydrogen bond dissocation, a primary process for hot-carrier degradation. Passivation of Si dangling bonds by hydrogen is vital in all Si devices because it eliminates electrically active mid-gap states; understanding the mechanism for dissociation of these bonds is therefore crucial for device technology. While the need for a non-adiabatic approach has been previously recognized, explicitly obtaining diabatic states for solid-state systems has been an outstanding challenge. We demonstrate how to obtain these states by applying a partitioning scheme to the Hamiltonian obtained from first-principles density functional theory. Our results demonstrate that bond dissociation can occur when electrons temporarily occupy the antibonding states, generating a highly repulsive excited-state potential that causes the hydrogen nuclear wavepacket to shift and propagate rapidly. Based on the Menzel-Gomer-Redhead (MGR) model, we show that after moving on this excited-state potential on femtosecond timescales, a portion of the nuclear wavepacket can continue to propagate even after the system relaxes back to the ground state, allowing us to determine the dissociation probability. Our results provide essential insights into the fundamental processes that drive carrier-induced bond breaking in general, and specifically elucidate hydrogen-related degradation in Si devices.
• Abstract（参考訳）: 高エネルギー担体の存在下でのボンド破壊は、放射線損傷、熱キャリア分解、半導体中のドーパント-水素錯体の活性化、光触媒など、物理学や化学における多くの重要な現象の中心である。 これらのプロセスを最初の原則から記述することは、いまだ明白な目標のままです。 ここでは,非断熱的アプローチの必要性を強調し,解離過程の包括的な理論的枠組みを紹介する。 シリコン-水素結合溶解は, 熱キャリア劣化の第一過程である。 水素によるSi結合の移動は、電気的に活性な中ギャップ状態を取り除くため、すべてのSiデバイスにおいて不可欠であり、これらの結合の解離のメカニズムを理解することはデバイス技術にとって不可欠である。 非断熱的なアプローチの必要性は以前から認識されていたが、固体系に対するダイアバティックな状態の獲得は顕著な課題であった。 第一原理密度汎関数理論から得られるハミルトニアンに分割スキームを適用することにより、これらの状態を得る方法を示す。 以上の結果から, 電子が一時的に反結合状態を占めると結合解離が起こり, 水素原子波束が急速に変化し, 伝播する強い励起状態電位が生じることが示唆された。 メンツェル・ゴマー・レッドヘッド (MGR) モデルを用いて, この励起状態電位をフェムト秒時間スケールで移動した後, 系が基底状態に戻ると, 核波束の一部が伝播し, 解離確率が決定できることを示した。 以上の結果から, キャリア誘起結合破壊を推し進める基本過程, 特にSiデバイスにおける水素関連劣化を解明するための重要な知見が得られた。

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