不同濃度Y摻雜β—FeSi2光電特性研究

張春紅　張忠政

摘 要：文章采用贗勢平面波方法對不同濃度稀土Y摻雜β-FeSi2的光電性質進行了計算和分析。研究發現：β-FeSi2中摻入Y后晶胞體積變大，并且隨著Y濃度的增加，體積也會越來越大；費米面附近的能帶結構變得復雜；靜態介電常數明顯增大，介電函數虛部峰值增大且向低能方向移動。研究結果為β-FeSi2摻雜改性提供依據。

關鍵詞：β-FeSi2；摻雜；能帶結構；介電函數

中圖分類號：P618.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0030-03

Abstract： The pseudo-potential plane wave method was used to calculate and analyze the photoelectric properties of β-FeSi2 doped by rare earth Y with different concentrations. It was found that the volume of β-FeSi2 become larger after Y-doped， and the volume becomes larger with the increase of Y concentration. The energy band structure near the Fermi surface becomes complicated. The static dielectric constant increases significantly. The peak of the imaginary part of the dielectric function increases and moves in the direction of low energy. The results provide basis for the doping modification of β-FeSi2.

Keywords： β-FeSi2； doping； band structure； dielectric function

1 概述

21世紀是信息化高速發展的時代，而要實現信息化時代就需要大量的光電材料的支持。最常用的化合物半導體的組成元素有Ga、In、P、Te、As、S、Se、Pb等，在這些光電材料中，或是有毒或是資源匱乏。對這樣的問題，科學家提出了環境友好型半導體材料。β-FeSi2就是其中較為理想的一種半導體材料。

β-FeSi2是由地殼中含量較多的Fe和Si兩種元素組成，并且這兩種元素壽命較長可循環利用，對環境也無污染，所以β-FeSi2是一種新型環境友好型半導體材料。β-FeSi2的帶隙在0.80eV-0.89eV[1-2]之間，對紅外波長的吸收率很高。它的熱電轉換可控制在200℃～900℃的高溫范圍內，而且具有耐氧化、無污染、無毒、原料價格便宜、來源豐富等優點。研究發現，摻雜對β-FeSi2的光電特性有很大的影響[3-4]。因此，本文將對β-FeSi2摻雜不同濃度稀土元素釔（Y）的光電性質進行計算和分析，希望能為β-FeSi2的摻雜改性提供一些依據。

2 計算方法及模型

計算方法采用基于密度泛函理論的贗勢平面波方法，計算工作由CASTEP軟件包[5]完成。β-FeSi2屬于CmCa空間對稱群，三個晶格常數分別為a=0.9879nm，b=0.7799nm，c=0.7839nm。一個β-FeSi2單胞有48個原子，其中16個Fe原子和32個Si原子。用一個Y原子分別置換1～4個Fe原子，得到4個不同濃度Y摻雜β-FeSi2的結構模型，然后再對4個晶體結構進行幾何優化，得到最穩定的晶體結構，再計算其光電性質。

3 計算結果分析

表1所示是不同濃度Y摻雜前后β-FeSi2的晶格參數。從表中可以看出，摻入稀土元素Y后晶格體積變大，并且隨著Y濃度的增加，晶體體積越來越大。這是因為Y的原子半徑（0.227nm）比Fe的（0.117nm）大。

圖1是未摻雜β-FeSi2和摻入不同濃度Y原子后β-FeSi2的能帶結構圖。圖中橫向虛線代表費米能級。

從圖1（a）可看出β-FeSi2的價帶在G點取得最大值0，而導帶在Z點附近的A點取得最小值0.842eV，所以β-FeSi2的帶隙寬度為0.842eV，導電類型為p型，屬于間接帶隙半導體。

從圖1（b）可知，摻入1個Y時，導帶和價帶均向下偏移，費米能級移入導帶中，導電類型為n型；且導帶向下偏移的幅度比價帶大，導致帶隙明顯變窄。1個Y摻雜后的β-FeSi2仍是間接帶隙半導體，如圖1（b）所示，由于在價帶的T點取得最大值，在導帶底的Z點取得最小值，間接帶隙為0.276eV。

如圖1（c） （d）所示，當摻入2～3個Y時，β-FeSi2費米面附近的能帶結構越來越復雜，且無帶隙。

從圖1（e）可看出當摻入4個Y時，能帶和導帶又分開形成帶隙，β-FeSi2在價帶M點取得最大值0，在導帶N點取得最小值0.132eV，帶隙寬度為0.132V，表現為間接帶隙的半導體性質，費米能級穿過價帶頂，導帶向下偏移明顯，導致帶隙變窄，導電類型為p型。

圖2所示為未摻雜β-FeSi2和不同濃度Y摻雜后β-FeSi2的介電函數的實部及虛部。

如圖2（a）為不同濃度Y摻雜前后β-FeSi2的介電函數的實部。由圖可看出未摻雜時β-FeSi2的靜態介電函數

ε1（0）=14.561。摻入1～4個Y后，ε1（0）分別為49.519、41.472、49.231、35.732，說明Y的摻入明顯的提高了材料的靜態介電常數。

由圖2 （b）不同濃度Y摻雜前后β-FeSi2的介電函數的虛部可看出，每條曲線都有一個峰值，可看出摻雜后的介電峰值增大且趨向低能方向，同時隨著濃度的增加，介電函數的虛部峰值逐漸降低。

參考文獻：

[1]羅勝耘，曾正，陸安江.一種新型環境半導體材料β-FeSi2[J].化工與材料，2008，114（5）：20-21.

[2]閆萬 ，謝泉，等.鐵硅化合物β-FeSi2帶間光學躍遷的理論研究[J].半導體學報，2007，28（9）：1381-1387.

[3]閆萬 ，謝泉.摻雜β-FeSi2的電子結構及光學性質的第一性原理研究[J].半導體學報，2008，29（6）：1141-1146.

[4]張春紅，張忠政，等.稀土（Y、Ce）摻雜β-FeSi2光電性質的第一性原理研究[J].光學學報，2015，35（1）：285-291.

[5]M. D. Segall， P. J. D. Lindan， M. J. Probert et al.. First-principles simulation： ideas， illustrations and the CASTEP code [J]. J. Phys. Condens. Matter， 2002，14（11）：2717-2722.