第一性原理計算V摻雜Ca2Si幾何結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)

鄧永榮 駱遠(yuǎn)征

摘? 要：文章采用第一性原理方法計算了V摻雜Ca2Si幾何結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，V摻雜后晶胞體積、總能量減小。能帶結(jié)構(gòu)上，V置換CaⅠ的帶隙變寬為0.42eV，V置換CaⅡ的帶隙變窄為0.17eV，費(fèi)米能級都進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電類型為n型。

關(guān)鍵詞：第一性原理;摻雜;能帶結(jié)構(gòu);幾何結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN304.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）23-0036-02

Abstract： In this paper， the geometric structure and band structure of V-doped Ca2Si are calculated by First Principle method. The results show that the cell volume and total energy decrease after V doping. In the energy band structure， the band gap of V-replaced Ca Ⅰ is 0.42 eV， the band gap of V-replaced Ca Ⅱ is 0.17 eV， the Fermi level enters the conduction band， and the conduction type is n-type.

Keywords： First Principle; doping; band structure; geometric structure

1 概述

新型光電材料Ca2Si具有較好的電學(xué)特性和光學(xué)特性，在制備和使用過程中無污染、對生命體無害且組成元素豐富，是一種新型環(huán)境友好型半導(dǎo)體。由于其單晶屬于直接帶隙半導(dǎo)體，能用于光電子發(fā)射，在4.5eV以上能量范圍內(nèi)，光吸收系數(shù)大于Fe2Si，因此在太陽能電池材料、半導(dǎo)體激光器件、發(fā)光二極管制備、集成電路和光電子領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種潛在的理想半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體材料Ca2Si具有以上優(yōu)良特性，近年來關(guān)于Ca2Si的研究也越來越多，目前關(guān)于Ca2Si理論計算，大多采用摻雜的方法。從關(guān)于Ca2Si摻雜的研究發(fā)現(xiàn)，摻雜能有效改善其光學(xué)性質(zhì)。如金屬元素鉀、鈧、鑭、釔、鋁等金屬單獨(dú)摻雜時，能有效改變Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)[1-5]，非金屬元素磷摻雜[6]能有效改變Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)。從已有研究可見尚未出現(xiàn)V摻雜Ca2Si的研究報道。因此本文通過第一性原理的方法計算了V摻雜Ca2Si的電子結(jié)構(gòu)分析V摻雜對Ca2Si幾何機(jī)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，為摻雜Ca2Si的實驗工作提供理論參考。

2 計算方法及模型

所有計算由CASTEP軟件包[7]來完成，Ca2Si的群空間為Pnma（No.62），晶格常數(shù)為a=0.7667nm，b=0.4779nm，c=0.9002nm[8]，每個單胞包含8個Ca原子和4個Si原子，文中采用2×2×1超晶胞（共48個原子）進(jìn)行計算。Ca2Si中Ca原子有兩個不等效位（CaⅠ和CaⅡ），摻雜時用1個V原子分別置換CaⅠ或CaⅡ位上的1個Ca原子，得到V摻雜的計算模型。

3 計算結(jié)果分析

從表1的計算結(jié)果可知，V置換CaⅠ位的Ca后a增大，b、c減小，晶胞體積減小，置換CaⅡ位Ca后a、b減小，c增大，晶胞體積減小，這是因為V的共價半徑（122pm）小于Ca共價半徑（171pm）。從總能量上看，V置換Ca的總能量小于未摻雜Ca2Si，且CaⅠ總能量比CaⅡ總能量都要小，表明V置換Ca后結(jié)構(gòu)比未摻雜前的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且CaⅠ為V置換的穩(wěn)定位。

圖1是未摻雜Ca2Si、V置換 CaⅠ和V置換CaⅡCa2Si的能帶結(jié)構(gòu)圖，圖中虛線為費(fèi)米能級。由圖1（a）可知，從圖2（a）Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)圖可知，Ca2Si導(dǎo)帶底和價帶頂都在G點(diǎn)，為直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度為0.26eV。

由圖1（b）-（c）可知，V 摻雜Ca2Si后，無論是摻雜CaⅠ還是CaⅡ，導(dǎo)帶頂和價帶底都在G點(diǎn)位置，仍表現(xiàn)出直接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)，導(dǎo)帶數(shù)目增多且向下移動，費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電類型為n型。價帶向下移動，導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)變密。V置換CaⅠCa2Si帶隙寬度為0.42eV，相較于未摻雜Ca2Si帶隙變寬，V置換CaⅡCa2Si的帶隙寬度為0.17eV，相較于為摻雜的Ca2Si帶隙變窄。

參考文獻(xiàn)：

[1]豐云，謝泉，高冉，等.K摻雜立方相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的研究[J].納米技術(shù)，2012，9（1）：1-6.

[2]冉耀宗，高冉，黃浦，等.Sc摻雜正交相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的第一性原理[J].光譜實驗室，2012，29（06）：3500-3507.

[3]鄧永榮，閆萬珺，覃信茂，等.稀土（La，Y）摻雜Ca2Si的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2018，55（09）：339-345.

[4]鄧永榮，張春紅，閆萬珺，等.第一性原理計算Al摻雜的正交相Ca2Si的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)[J].四川大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，55（01）：135-140.

[5]段興凱，江躍珍，胡孔剛，等.Sn摻雜對Ca2Si基底半導(dǎo)體材料熱電性能的影響[J].功能材料，2017，48（5）：

05122-05126.

[6]岑偉富，楊吟野，范夢慧，等.P摻雜正交相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算[J].光子學(xué)報，2014，43（8）：0816003（5pp）.

[7]Takagi N， Sato Y， Matsuyama T， et al. Growth and structural properties of Mg2Si and Ca2Si bulk crystals[J]. Applied Surface Science， 2005，244（1-4）：330-333.

[8]Segall M D， Philip Lindan J D， Probert M J. First principle simulation： ideas illustrations and the CASYEP code[J]. J Phys： Condense Matter， 2002，14（11）：2717-2744.