B摻雜Ca2Si電子結(jié)構(gòu)的影響研究

鄧永榮 何昌發(fā)

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

關(guān)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(dǎo)體材料，具有較好的電學(xué)特性和光學(xué)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(dǎo)體激光器件、發(fā)光二極管制備、集成電路和光電子領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，被認為是一種潛在的理想半導(dǎo)體。摻雜作為調(diào)控材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段，能有效通過調(diào)制電子結(jié)構(gòu)改變材料的光學(xué)性能 。近年來關(guān)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(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)[1-5]，非金屬元素磷摻雜[6]能有效改變Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，碳摻雜[7]對Ca2Si光學(xué)性質(zhì)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(diào)制Ca2Si光學(xué)性質(zhì)的研究尚未發(fā)現(xiàn)。因此本文計算了B摻雜Ca2Si的幾何結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)。

2 計算模型及方法

Ca2Si的群空間為Pnma（No.62），晶格常數(shù)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(yōu)化過程中自洽收斂精度設(shè)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(jié)果分析

3.1 幾何結(jié)構(gòu)

由表1中計算數(shù)據(jù)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?？偰芰可?，B 摻雜Ca2Si總能量增大了33.0387eV，與未摻雜的Ca2Si相比穩(wěn)定性變差。

3.2 能帶結(jié)構(gòu)

圖2中給出了-1.5-2V的能帶結(jié)構(gòu)圖，選取費米能級為0eV。由圖2（a）可知，未摻雜的Ca2Si是導(dǎo)帶底和價帶頂都位于Γ點的直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為0.26eV。圖2（b）可知B摻雜后，導(dǎo)帶和價帶的能帶條數(shù)增多變密，且導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)帶CB電子態(tài)密度主要來源于Ca-3d態(tài)、Ca-4s態(tài)和Si-3P態(tài)電子，其中Ca-3d態(tài)占主導(dǎo)地位。B摻雜后Ca2Si導(dǎo)帶電子態(tài)密度仍來源于Ca-3d態(tài)、Ca-4s態(tài)和Si-3P態(tài)電子，其中Ca-3d態(tài)仍占主導(dǎo)地位，但由于B摻入，Si原子減少，Si-3p態(tài)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(tài)提供。在-3eV～0eV的范圍內(nèi)，Ca2Si的價帶由Si-3p態(tài)、Ca-3S及Ca-3d態(tài)電子提供，Si-3p態(tài)占主導(dǎo)地位。與未摻雜的Ca2Si相比，B摻雜后，在-7.9eV～-6.6eV之間電子態(tài)密度幾乎無變化，在-5.15～4.82之間出現(xiàn)了新的價帶，這是B-3s態(tài)電子貢獻引起的。上價帶（-3～0eV）態(tài)密度增加了B-2s態(tài)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(tài)密度（見圖3）

參考文獻：

[1]豐云，謝泉，高冉，等.K摻雜立方相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的研究[J].納米技術(shù)，2012，9（1）：1-6.

[2]豐云，謝泉，高冉，等.K摻雜正方相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的第一性原理計算[J].材料熱處理學(xué)報，2012，33（9）：155-160.

[3]冉耀宗，高冉，黃浦，等.Sc摻雜正交相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的第一性原理[J].光譜實驗室，2012，29（06）：3500-3507.

[4]鄧永榮，閆萬珺，覃信茂，等.稀土（La，Y）摻雜Ca2Si的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)[J].激光與光電子學(xué)進展，2018，55（09）：339-345.

[5]段興凱，江躍珍，胡孔剛，等.Sn摻雜對Ca2Si基半導(dǎo)體材料熱電性能的影響[J].功能材料，2017，48（5）：5122-5126.

[6]岑偉富，楊吟野，范夢慧，等.P摻雜正交相Ca2Si電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算[J].光子學(xué)報，2014，43（8）：159-163.

[7]Yongrong Deng，Wanjun Yan，Chunhong Zhang，et al.Electronic Structure and Optical Properties of C-Doped Ca2Si[C].Workshop on Materials Science and Engineering IWMSE2018，2018，381：81-86.

[8]Takagi N， Sato Y， Matsuyama T， et al. Growth and structural properties of Mg2Si and Ca2Sibulk crystals[J]. Applied Surface Science，2005，244（1-4）：330-333.