摻雜Os_1—xM_xSi_{2（x=0.0625 ）}（M=Re、Ir）的電子結構研究

李旭珍 劉丙金

摘 要：本文采用基于密度泛函理論的贗勢平面波的方法，對OsSi2晶胞的理論模型分別摻入Re和Ir原子，并對摻雜后的電子結構進行了理論計算。理論計算結果顯示：1）Re和Ir兩種雜質的摻入都使得OsSi2晶胞的體積有所改變，造成了晶格畸變；2）系統總能量的計算表明Re、Ir摻雜時傾向于置換OsSi2的Os II位置；Re的摻入使得OsSi2的費米面向價帶移動，形成了P型半導體；而摻Ir則使得OsSi2的費米面向導帶移動，形成了N型半導體。

關鍵詞：摻雜OsSi2；電子結構

中圖分類號：0471.5

近年來，半導體材料OsSi2在熱電和光電器件領域上的潛在應用受到了廣泛的關注。相關研究顯示半導體材料OsSi2屬于間接帶隙半導體，具有較好的晶體性質和比較高的熱容量，通過機械合金技術可以得到其多晶樣品[ 1-2 ]。

摻雜是調制材料電子結構的有效方式，同時摻雜也可以增大載流子濃度，降低材料的電阻率。鑒于此，本文采用基于密度泛函理論的贗勢平面波方法，對摻入Re、Ir原子的OsSi2 的能帶結構、電子態密度進行了模擬計算，重點討論了雜質對摻雜后電子結構的影響。

1 理論計算方法

計算方法：本文采用基于第一性原理的贗勢平面波方法進行模擬計算，對OsSi2晶胞的幾何結構優化使用了BFGS算法[ 3-4 ]，同時設定其平面波的截斷能量為300eV，另外，對于交換關聯能部分采取了局域密度近似來處理，而交換關聯勢則采用了超軟（ultrasoft）贗勢[ 5 ]，離子實與電子間的相互作用采用了模守恒贗勢（norm-conserving pseudo-potentials）來處理，在總能量的計算中，布里淵區積分使用了4×3×3的Monkhorst-Pack[ 6 ]形式的高對稱特殊k點方法。

首先，計算了OsSi2的OsI、OsII兩個位置由Re、Ir替代后系統的單點能，然后進行馳豫及晶格常數優化計算，利用馳豫后的原子坐標和優化后的晶格常數分別計算摻雜不同位置的系統總能量，系統總能量的計算表明Re、Ir摻雜時傾向于置換OsSi2的Os II位置的Os原子，Re替代OsSi2的Os II位置的計算選取了Os的5d6 6s2、Si的3s23p2和Re的5d56s2為價電子；Ir替代OsSi2的Os II位置的計算選取了Os的5d66s2、Si的3s23p2和Ir的5d76s2為價電子；通過比較OsII位置摻雜后系統的總能量較小，其晶胞結構更加穩定，從而確定對OsSi2摻雜Re、Ir原子時，其置換位置為OsII。確定了Re、Ir摻雜的置換位置后，對Os1-xRexSi2和Os1-xIrxSi2的能帶結構、電子態密度分別進行了模擬計算。

2 計算結果及分析

電子結構：

圖1為Re摻雜后Os1-xRexSi2的費米面附近的能帶結構。Re摻雜后OsSi2為間接帶隙半導體，摻雜并沒有引起OsSi2能帶結構類型的變化，與理論計算的未摻雜OsSi2的能帶結構相比，只是帶隙明顯地增大了，更加接近實驗值。說明通過Re原子摻雜對OsSi2的電子帶隙得到比較好的調制。Re摻雜后使得價帶附近出現多余的載流子——空穴，在費米能級附近引入受主能級，費米面向價帶偏移，費米面插在價帶的中間，形成了P型半導體。摻雜后能帶簡并度有明顯增大，另外在其費米面的附近，能帶的能峰（或能谷）數目有所增多。對于Re摻雜的Os1-xRexSi2，Re和Os的核外電子排布分別為Os（1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d66s2），Re（1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d56s2），由于Os和Re的核外電子排布相似，僅d層相差一個電子，而OsSi2的能態密度受到Os的d層電子的影響，因此，在摻入Re原子時，Re的d層由于缺少一個電子變成了受主原子，使得Os1-xRexSi2的費米面向價帶移動，最終轉化成簡并半導體。

圖2為Ir摻雜后后Os1-xIrxSi2費米面附近的能帶結構。Ir摻雜后Os1-xIrxSi2的費米面向導帶偏移，使得費米面進入導帶部分，形成了N型半導體。與理論計算的未摻雜OsSi2的能帶結構相比較，其摻雜后能帶簡并度明顯增大，另外在Os1-xIrxSi2的費米面附近，能峰（或能谷）數目也有所增多。由于Ir的核外電子排布是 Ir（1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d76s2），而Os的核外電子排布為Os（1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d66s2），由于Os和Ir的核外電子排布相似，僅d層相差一個電子，而Os 的d層電子對OsSi2的能態密度影響很大，因此，在摻雜Ir時，Ir的d層由于多一個電子變成了施主原子，使得Os1-xRexSi2的費米面向導帶移動，同時也由非簡并半導體轉為簡并半導體，導電類型變為N型，最終形成了N型半導體。

3 小結

利用基于密度泛函理論的贗勢平面波方法對Os1-xRexSi2（x=0.0625） （M=Re，Ir）的電子結構進行了模擬計算。其結果表明，Re和Ir原子摻入OsSi2時， Re和Ir兩種雜質都使得OsSi2的晶胞體積有所增大了，造成了晶格畸變，考慮到摻雜后晶胞的穩定性，雜質原子的置換位置均為OsII位的Os原子，因此在OsSi2中摻雜時的置換位置具有擇位性；理論計算表明摻雜不但改變了半導體材料OsSi2費米面的位置，同時也改變了費米面附近的能帶結構，從而有效的改善了OsSi2的電子結構。

參考文獻：

[1] A.B.Filonov，D.B.Migas，V.L.Shaposhnikov et al.Electronic properties of osmium disilicide.Applied Physics Letters，1997，70（8）：996～997.

[2] D.B.Migas， Leo Miglio， W.Henrion，et al. Electronic and optical properties of isostructural b-FeSi2 and OsSi2 Physical Review，2001，64： 0752081～0752087.

[3] Fischer T H，Almlof J.General methods for geometry and wave function optimization.J Phys Chem.1992.96（24）：9768.

[4] Broyden C G，The convergence of a class of double-rank minimization algorithms， 2 The new algorithm， Journal of the Institute for Mathematics and Applications，1970，6：222～231.

[5] Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in generalized eigenvalue formalism.Physical Review B，1990，41：7892～7895.

[6] Monkhorst H J，Pack J D，Special points for Brillouin-zone integrations.Physical Review B，1976，13：5188～5192.