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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:
  [1]丰云,谢泉,高冉,等.K掺杂立方相Ca2Si电子结构及光学性能的研究[J].纳米技术,2012,9(1):1-6.
  [2]丰云,谢泉,高冉,等.K掺杂正方相Ca2Si电子结构及光学性能的第一性原理计算[J].材料热处理学报,2012,33(9):155-160.
  [3]冉耀宗,高冉,黄浦,等.Sc掺杂正交相Ca2Si电子结构及光学性能的第一性原理[J].光谱实验室,2012,29(06):3500-3507.
  [4]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.
  [5]段兴凯,江跃珍,胡孔刚,等.Sn掺杂对Ca2Si基半导体材料热电性能的影响[J].功能材料,2017,48(5):5122-5126.
  [6]岑伟富,杨吟野,范梦慧,等.P掺杂正交相Ca2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算[J].光子学报,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.
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