پذیرفتاری مغناطیسی سطحی نانوخوشه‌های سیلیکونی با یادگیری ماشین ساختار الکترونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فیزیک، دانشگاه شهید بهشتی، اوین، تهران

چکیده
خوشه‌های سیلیکونی در مقیاس نانو به‌عنوان سامانه‌هایی حدواسط میان مولکول‌ها و مادۀ حجیم، بستری کم‌نظیر برای بررسی گذار اندازه‌مقیاس در خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی فراهم می‌کنند. درحالی‌که سیلیکون بلوری حجیم دیامغناطیس ضعیفی است، در خوشه‌ها به‌دلیل غالب بودن اثرات سطح، مقیدسازی کوانتومی، بازآرایی اتم‌های سطح و وجود پیوندهای آویزان، امکان ظهور پاسخ‌های پارامغناطیسی وابسته به دما و رفتارهای غیرمنتظره وجود دارد. از آن‌جا که پذیرفتاری مغناطیسی به چگالی حالت‌های الکترونی نزدیک تراز فرمی حساس است، تعیین صحیح تراز فرمی در پیش‌بینی پذیرفتاری مغناطیسی نقش کلیدی دارد. در این مقاله، چارچوبی محاسباتی ارائه می‌کنیم که در آن طیف چگالی حالت تصویر شده بر اتم‌ها با یادگیری ماشین و پتانسیل شیمیایی موضعی برای هر اتم بر اساس توزیع بار تعادلی تعیین می‌شود. با ترکیب این دو، یک تقریب تک‌ذره‌ای از پذیرفتاری مغناطیسی پائولی تک تک اتم‌ها به‌دست می‌آوریم. برای نانوخوشه‌های سیلیکونی خالص نشان داده می‌شود که سهم اتم‌های سطحی در پاسخ مغناطیسی به‌طور معناداری بیشتر از اتم‌های درونی است. پذیرفتاری مغناطیسی کل ذره متناسب با قطر نانوخوشه‌ها کاهش می‌یابد و به مقدار توده‌ای میل می‌کند. این نتیجه با رفتار عمومی نانوذرات سازگار است و می‌تواند انگیزه‌ای برای مطالعات تجربی بیشتر و نیز توسعۀ الگو‌هایی باشد که با در نظر گرفتن برهم‌کنش‌های اسپینی و تقویت تبادلی، فراتر از چارچوب فعلی عمل می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Surface magnetic susceptibility of silicon nanoclusters from machine learning electronic structure

نویسندگان English

Abdorrahman Aryanpour
Ali Sadeghi
Department of physics, Shahid Beheshti university, Tehran, Iran
چکیده English

Silicon nanoclusters, as intermediate structures between molecules and bulk silicon, provide a unique platform for studying size-dependent transitions in structural, electronic, and magnetic properties. In contrast to bulk crystalline silicon, which is weakly diamagnetic, silicon clusters may exhibit a temperature-dependent paramagnetic response and interesting behavior due to dominant surface effects, quantum confinement, surface reconstruction, and the dangling bonds. Being highly sensitive to the density of electronic states near the Fermi level, accurate determination of the Fermi level plays a key role in predicting magnetic susceptibility. We present a computational framework in which atom-projected density of states is predicted using machine learning, while a local chemical potential is assigned to each atom based on the equilibrium charge distribution. By combining these two ingredients, we obtain a single-particle approximation of the magnetic susceptibility of individual atoms. For pure silicon nanoclusters, we show that the contribution of surface atoms to the magnetic response is significantly larger than that of interior atoms. The overall magnetic susceptibility of the particle decreases with increasing nanocluster diameter and approaches the bulk value. This result is consistent with the general behavior of nanoparticles and merits further experimental investigation or the development of models that go beyond the present framework by incorporating spin interactions and exchange (Stoner) enhancement.

کلیدواژه‌ها English

Silicon clusters
Magnetic susceptibility
Local density of states
Machine learning
1.       W L Brown, R R Freeman, K Raghavachari, and M Schluter, Science 235 (1987) 860.
2.       A P Alivisatos, Science 271 (1996) 933.
3.       L E Brus, J. Chem. Phys. 80 (1984) 4403.
4.       B K Teo and X H Sun, Chem. Rev. 107 (2007) 1454.
5.       Z Nourbakhsh, M Lusk, S J Hashemifar, and H Akbarzadeh, Iran. J.  Phys. Res. 13 (2019) 283, in Persian.
6.       E C. Honea, A Ogura, C A Murray, K Raghavachari, W O Sprenger, M F Jarrold, and W L Brown, Nature 366 (1993) 42.
7.       L Zhao and K Balasubramanian, J. Chem. Phys 116 (2002) 3690.
8.       A Aryanpour and A Sadeghi, Phys. Rev. B 112 (2025) 115101.
9.       C Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th ed. (John Wiley & Sons, New York, 2005).
10.    R A Street, Hydrogenated Amorphous Silicon (Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 1991).
11.    S C Erwin and F J Himpsel, Nature Commun. 1 (2010) 58.
12.    A P Alivisatos, Science 271 (1996) 933.
13.    S Heydariyan, M R Nouri, M Alaei, Z Allahyari, and T A Niehaus, J. Chem. Phys 149 (2018) 074313.
14.    C Ben Mahmoud, A Anelli, G Csányi, M Ceriotti, Phys. Rev. B 102 (2020) 235130.
15.    B Aradi, B Hourahine, and Th Frauenheim, J. Phys. Chem A 111 (2007) 26.
16.    A Sadeghi, A Ghasemi, B Schaefer, S Mohr, MA Lill, S Goedecker, J. Chem. Phys. 139 (2013) 184118.
17.    A Zarandi, A Sadeghi, J. Res. Many-body Sys. 9 (2019) 135, in Persian.
18.    C E Rasmussen and C K I Williams, Gaussian Processes for Machine Learning (MIT Press, Cambridge, MA, 2006).
19.    A Aryanpour and A Sadeghi, Phys. Rev. Lett.  137 (2026) 076201.

تحت نظارت وف بومی