第一性原理计算V掺杂Ca2Si几何结构与能带结构

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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