B掺杂Ca2Si电子结构的影响研究

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　　摘  要：基于第一性原理的方法计算了B掺杂Ca2Si的电子结构，计算结果表明，B掺杂使晶胞体积减小，带隙变窄，导电类型为P型。
　　关键词：Ca2Si;B掺杂;第一性原理
　　中图分类号：O472.3        文献标志码：A         文章编号：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
　　新型光电材料Ca2Si是组成元素丰富，无毒，耐腐蚀的碱土金属半导体材料，具有较好的电学特性和光学特性，同时能在Si基上外延生长，在制备和使用过程中无污染、對生命体无害，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。掺杂作为调控材料光学性质的重要手段，能有效通过调制电子结构改变材料的光学性能 。近年来关于Ca2Si掺杂改性的研究也越来越多，其中金属元素钾、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，碳掺杂[7]对Ca2Si光学性质的影响不是很明显。从已有研究可见非金属掺杂Ca2Si的研究较少，硼掺杂Ca2Si是否能有效调制Ca2Si光学性质的研究尚未发现。因此本文计算了B掺杂Ca2Si的几何结构和能带结构。
　　2 计算模型及方法
　　Ca2Si的群空间为Pnma（No.62），晶格常数为a=0.7667 nm，b=0.4779nm，c=0.9002nm[8]，文中计算由CASTEP 软件包来完成，优化过程中自洽收敛精度设置为1.0×10-5eV/atom，平面波的截断能为310eV。文中采用2×2×1超晶胞（共48个原子）进行计算。掺杂时用1个B原子替换1个Si原子，得到图1的计算模型。
　　3 计算结果分析
　　3.1 几何结构
　　由表1中计算数据可知，B掺杂后a、b、c值减小，晶胞体积V减小，这是由于B原子的原子半径小于Si原子的原子半径，且Ca-B成键时键长比Ca-Si键短。总能量上，B 掺杂Ca2Si总能量增大了33.0387eV，与未掺杂的Ca2Si相比稳定性变差。
　　3.2 能带结构
　　图2中给出了-1.5-2V的能带结构图，选取费米能级为0eV。由图2（a）可知，未掺杂的Ca2Si是导带底和价带顶都位于Γ点的直接带隙半导体，带隙为0.26eV。图2（b）可知B掺杂后，导带和价带的能带条数增多变密，且导带和价带上移，上移后费米能级插入价带中，带隙变窄，宽度为0.20eV，导电类型为P型。这是由于B的核外电子排布1s22s22p1，Si的核外电子排布为1s22s22p63s23p2，B原子的最外层电子比Si原子少1个电子，B置换Si后容易形成一个空穴，成为受主原子。
　　从图3可知，未掺杂Ca2Si的导带CB电子态密度主要来源于Ca-3d态、Ca-4s态和Si-3P态电子，其中Ca-3d态占主导地位。B掺杂后Ca2Si导带电子态密度仍来源于Ca-3d态、Ca-4s态和Si-3P态电子，其中Ca-3d态仍占主导地位，但由于B掺入，Si原子减少，Si-3p态贡献减小。价带部分在-7.9eV～-6.6eV之间，Ca2Si的价带主要由Si-3s态提供。在-3eV～0eV的范围内，Ca2Si的价带由Si-3p态、Ca-3S及Ca-3d态电子提供，Si-3p态占主导地位。与未掺杂的Ca2Si相比，B掺杂后，在-7.9eV～-6.6eV之间电子态密度几乎无变化，在-5.15～4.82之间出现了新的价带，这是B-3s态电子贡献引起的。上价带（-3～0eV）态密度增加了B-2s态电子贡献，带宽展宽，局域性变差。这是由于B原子置换了Si原子后，价带上移引起的。
　　3.3 态密度（见图3）
　　参考文献：
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