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第一性原理计算V掺杂Ca2Si几何结构与能带结构

发布时间:2019-09-28 18:22:32? 文章来源:/? 作者:竺编辑? 阅读:次


邓永荣 骆远征

摘要:文章采用第一性原理方法計算了V掺杂Ca2Si几何结构和能带结构。计算结果表明,V掺杂后晶胞体积、总能量减小。能带结构上,V置换CaⅠ的带隙变宽为0.42eV,V置换CaⅡ的带隙变窄为0.17eV,费米能级都进入导带,导电类型为n型。

关键词:第一性原理;掺杂;能带结构;几何结构

中图分类号:TN304.2文献标志码:A 文章编号: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

新型光电材料Ca2Si具有较好的电学特性和光学特性,在制备和使用过程中无污染、对生命体无害且组成元素丰富,是一种新型环境友好型半导体。由于其单晶属于直接带隙半导体,能用于光电子发射,在4.5eV以上能量范围内,光吸收系数大于Fe2Si,因此在太阳能电池材料、半导体激光器件、发光二极管制备、集成电路和光电子领域有较好的应用前景,被认为是一种潜在的理想半导体。由于半导体材料Ca2Si具有以上优良特性,近年来关于Ca2Si的研究也越来越多,目前关于Ca2Si理论计算,大多采用掺杂的方法。从关于Ca2Si掺杂的研究发现,掺杂能有效改善其光学性质。如金属元素钾、钪、镧、钇、铝等金属单独掺杂时,能有效改变Ca2Si的能带结构及光学性质[1-5],非金属元素磷掺杂[6]能有效改变Ca2Si的能带结构及光学性质。从已有研究可见尚未出现V掺杂Ca2Si的研究报道。因此本文通过第一性原理的方法计算了V掺杂Ca2Si的电子结构分析V掺杂对Ca2Si几何机构和能带结构,为掺杂Ca2Si的实验工作提供理论参考。

2 计算方法及模型

所有计算由CASTEP软件包[7]来完成,Ca2Si的群空间为Pnma(No.62),晶格常数为a=0.7667nm,b=0.4779nm,c=0.9002nm[8],每个单胞包含8个Ca原子和4个Si原子,文中采用2×2×1超晶胞(共48个原子)进行计算。Ca2Si中Ca原子有两个不等效位(CaⅠ和CaⅡ),掺杂时用1个V原子分别置换CaⅠ或CaⅡ位上的1个Ca原子,得到V掺杂的计算模型。

3 计算结果分析

从表1的计算结果可知,V置换CaⅠ位的Ca后a增大,b、c减小,晶胞体积减小,置换CaⅡ位Ca后a、b减小,c增大,晶胞体积减小,这是因为V的共价半径(122pm)小于Ca共价半径(171pm)。从总能量上看,V置换Ca的总能量小于未掺杂Ca2Si,且CaⅠ总能量比CaⅡ总能量都要小,表明V置换Ca后结构比未掺杂前的结构稳定,且CaⅠ为V置换的稳定位。

图1是未掺杂Ca2Si、V置换 CaⅠ和V置换CaⅡCa2Si的能带结构图,图中虚线为费米能级。由图1(a)可知,从图2(a)Ca2Si的能带结构图可知,Ca2Si导带底和价带顶都在G点,为直接带隙半导体,带隙宽度为0.26eV。

由图1(b)-(c)可知,V 掺杂Ca2Si后,无论是掺杂CaⅠ还是CaⅡ,导带顶和价带底都在G点位置,仍表现出直接带隙半导体的性质,导带数目增多且向下移动,费米能级进入导带,导电类型为n型。价带向下移动,导带能带结构变密。V置换CaⅠCa2Si带隙宽度为0.42eV,相较于未掺杂Ca2Si带隙变宽,V置换CaⅡCa2Si的带隙宽度为0.17eV,相较于为掺杂的Ca2Si带隙变窄。

参考文献:

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[3]邓永荣,闫万珺,覃信茂,等.稀土(La,Y)掺杂Ca2Si的电子结构及光学性质[J].激光与光电子学进展,2018,55(09):339-345.

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本文来源:第一性原理计算V掺杂Ca2Si几何结构与能带结构:/lunwen/937.html

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