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Hot Carrier Dynamics at Ligated Silicon(111) Surfaces: A Computational Study
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2021-08-03 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c02084
Yulun Han 1 , Kweeni Iduoku 2 , Gena Grant 3 , Bakhtiyor Rasulev 2 , Alexey Leontyev 1 , Erik K Hobbie 4 , Sergei Tretiak 5 , Svetlana V Kilina 1 , Dmitri S Kilin 1
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2021-08-03 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c02084
Yulun Han 1 , Kweeni Iduoku 2 , Gena Grant 3 , Bakhtiyor Rasulev 2 , Alexey Leontyev 1 , Erik K Hobbie 4 , Sergei Tretiak 5 , Svetlana V Kilina 1 , Dmitri S Kilin 1
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We provide a case-study for thermal grafting of benzenediazonium bromide onto a hydrogenated Si(111) surface using ab initio molecular dynamics (AIMD) calculations. A sequence of reaction steps is identified in the AIMD trajectory, including the loss of N2 from the diazonium salt, proton transfer from the surface to the bromide ion that eliminates HBr, and deposition of the phenyl group onto the surface. We next assess the influence of the phenyl groups on photophysics of hydrogen-terminated Si(111) slabs. The nonadiabatic couplings necessary for a description of the excited-state dynamics are calculated by combining ab initio electronic structures and reduced density matrix formalism with Redfield theory. The phenyl-terminated slab shows reduced nonradiative relaxation and recombination rates of hot charge carriers in comparison with the hydrogen-terminated slab. Altogether, our results provide atomistic insights revealing that (i) the diazonium salt thermally decomposes at the surface allowing the formation of covalently bonded phenyl group, and (ii) the coverage of phenyl groups on the surface slows down charge carrier cooling driven by electron–phonon interactions, which increases photoluminescence efficiency at the near-infrared spectral region.
中文翻译：
连接硅 (111) 表面的热载流子动力学：一项计算研究
我们提供了使用从头分子动力学 (AIMD) 计算将溴化苯重氮热接枝到氢化 Si(111) 表面的案例研究。在 AIMD 轨迹中确定了一系列反应步骤，包括重氮盐中 N 2的损失、质子从表面转移到消除 HBr 的溴离子以及苯基基团在表面上的沉积。我们接下来评估苯基对氢端基 Si(111) 板的光物理的影响。描述激发态动力学所需的非绝热耦合是通过结合ab initio 来计算的电子结构和减少密度矩阵形式主义与雷德菲尔德理论。与氢端板相比，苯基端板显示出较低的非辐射弛豫和热载流子复合率。总而言之，我们的结果提供了原子层面的见解，揭示了 (i) 重氮盐在表面热分解，从而形成共价键合的苯基，以及 (ii) 苯基在表面的覆盖减慢了电子驱动的电荷载流子冷却。声子相互作用，这增加了近红外光谱区域的光致发光效率。
更新日期：2021-08-12
中文翻译：
连接硅 (111) 表面的热载流子动力学：一项计算研究
我们提供了使用从头分子动力学 (AIMD) 计算将溴化苯重氮热接枝到氢化 Si(111) 表面的案例研究。在 AIMD 轨迹中确定了一系列反应步骤，包括重氮盐中 N 2的损失、质子从表面转移到消除 HBr 的溴离子以及苯基基团在表面上的沉积。我们接下来评估苯基对氢端基 Si(111) 板的光物理的影响。描述激发态动力学所需的非绝热耦合是通过结合ab initio 来计算的电子结构和减少密度矩阵形式主义与雷德菲尔德理论。与氢端板相比，苯基端板显示出较低的非辐射弛豫和热载流子复合率。总而言之，我们的结果提供了原子层面的见解，揭示了 (i) 重氮盐在表面热分解，从而形成共价键合的苯基，以及 (ii) 苯基在表面的覆盖减慢了电子驱动的电荷载流子冷却。声子相互作用，这增加了近红外光谱区域的光致发光效率。
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