第一性原理計算V摻雜Ca2Si幾何結構與能帶結構

鄧永榮 駱遠征

摘? 要：文章采用第一性原理方法計算了V摻雜Ca2Si幾何結構和能帶結構。計算結果表明，V摻雜后晶胞體積、總能量減小。能帶結構上，V置換CaⅠ的帶隙變寬為0.42eV，V置換CaⅡ的帶隙變窄為0.17eV，費米能級都進入導帶，導電類型為n型。

關鍵詞：第一性原理;摻雜;能帶結構;幾何結構

中圖分類號：TN304.2? ? ? ?文獻標志碼：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具有較好的電學特性和光學特性，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，是一種新型環境友好型半導體。由于其單晶屬于直接帶隙半導體，能用于光電子發射，在4.5eV以上能量范圍內，光吸收系數大于Fe2Si，因此在太陽能電池材料、半導體激光器件、發光二極管制備、集成電路和光電子領域有較好的應用前景，被認為是一種潛在的理想半導體。由于半導體材料Ca2Si具有以上優良特性，近年來關于Ca2Si的研究也越來越多，目前關于Ca2Si理論計算，大多采用摻雜的方法。從關于Ca2Si摻雜的研究發現，摻雜能有效改善其光學性質。如金屬元素鉀、鈧、鑭、釔、鋁等金屬單獨摻雜時，能有效改變Ca2Si的能帶結構及光學性質[1-5]，非金屬元素磷摻雜[6]能有效改變Ca2Si的能帶結構及光學性質。從已有研究可見尚未出現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的電子結構分析V摻雜對Ca2Si幾何機構和能帶結構，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 計算結果分析

從表1的計算結果可知，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后結構比未摻雜前的結構穩定，且CaⅠ為V置換的穩定位。

圖1是未摻雜Ca2Si、V置換 CaⅠ和V置換CaⅡCa2Si的能帶結構圖，圖中虛線為費米能級。由圖1（a）可知，從圖2（a）Ca2Si的能帶結構圖可知，Ca2Si導帶底和價帶頂都在G點，為直接帶隙半導體，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，導帶頂和價帶底都在G點位置，仍表現出直接帶隙半導體的性質，導帶數目增多且向下移動，費米能級進入導帶，導電類型為n型。價帶向下移動，導帶能帶結構變密。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。

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