B摻雜Ca2Si電子結構的影響研究

鄧永榮 何昌發

摘? 要：基于第一性原理的方法計算了B摻雜Ca2Si的電子結構，計算結果表明，B摻雜使晶胞體積減小，帶隙變窄，導電類型為P型。

關鍵詞：Ca2Si;B摻雜;第一性原理

中圖分類號：O472.3? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0065-03

Abstract： The electronic structure of B-doped Ca2Si is calculated based on first principles. The results show that The cell volume is reduced by B doping， the band gap is narrow， and the conductive type is P type.

Keywords： Ca2Si; B-doped; First principles

1 概述

新型光電材料Ca2Si是組成元素豐富，無毒，耐腐蝕的堿土金屬半導體材料，具有較好的電學特性和光學特性，同時能在Si基上外延生長，在制備和使用過程中無污染、對生命體無害，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。摻雜作為調控材料光學性質的重要手段，能有效通過調制電子結構改變材料的光學性能 。近年來關于Ca2Si摻雜改性的研究也越來越多，其中金屬元素鉀、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，碳摻雜[7]對Ca2Si光學性質的影響不是很明顯。從已有研究可見非金屬摻雜Ca2Si的研究較少，硼摻雜Ca2Si是否能有效調制Ca2Si光學性質的研究尚未發現。因此本文計算了B摻雜Ca2Si的幾何結構和能帶結構。

2 計算模型及方法

Ca2Si的群空間為Pnma（No.62），晶格常數為a=0.7667 nm，b=0.4779nm，c=0.9002nm[8]，文中計算由CASTEP 軟件包來完成，優化過程中自洽收斂精度設置為1.0×10-5eV/atom，平面波的截斷能為310eV。文中采用2×2×1超晶胞（共48個原子）進行計算。摻雜時用1個B原子替換1個Si原子，得到圖1的計算模型。

3 計算結果分析

3.1 幾何結構

由表1中計算數據可知，B摻雜后a、b、c值減小，晶胞體積V減小，這是由于B原子的原子半徑小于Si原子的原子半徑，且Ca-B成鍵時鍵長比Ca-Si鍵短。總能量上，B 摻雜Ca2Si總能量增大了33.0387eV，與未摻雜的Ca2Si相比穩定性變差。

3.2 能帶結構

圖2中給出了-1.5-2V的能帶結構圖，選取費米能級為0eV。由圖2（a）可知，未摻雜的Ca2Si是導帶底和價帶頂都位于Γ點的直接帶隙半導體，帶隙為0.26eV。圖2（b）可知B摻雜后，導帶和價帶的能帶條數增多變密，且導帶和價帶上移，上移后費米能級插入價帶中，帶隙變窄，寬度為0.20eV，導電類型為P型。這是由于B的核外電子排布1s22s22p1，Si的核外電子排布為1s22s22p63s23p2，B原子的最外層電子比Si原子少1個電子，B置換Si后容易形成一個空穴，成為受主原子。

從圖3可知，未摻雜Ca2Si的導帶CB電子態密度主要來源于Ca-3d態、Ca-4s態和Si-3P態電子，其中Ca-3d態占主導地位。B摻雜后Ca2Si導帶電子態密度仍來源于Ca-3d態、Ca-4s態和Si-3P態電子，其中Ca-3d態仍占主導地位，但由于B摻入，Si原子減少，Si-3p態貢獻減小。價帶部分在-7.9eV～-6.6eV之間，Ca2Si的價帶主要由Si-3s態提供。在-3eV～0eV的范圍內，Ca2Si的價帶由Si-3p態、Ca-3S及Ca-3d態電子提供，Si-3p態占主導地位。與未摻雜的Ca2Si相比，B摻雜后，在-7.9eV～-6.6eV之間電子態密度幾乎無變化，在-5.15～4.82之間出現了新的價帶，這是B-3s態電子貢獻引起的。上價帶（-3～0eV）態密度增加了B-2s態電子貢獻，帶寬展寬，局域性變差。這是由于B原子置換了Si原子后，價帶上移引起的。

3.3 態密度（見圖3）

參考文獻：

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