KSi 能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度的第一性原理研究

KSi能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度的第一性原理研究主要內(nèi)容研究背景計算方法計算結(jié)果結(jié)論1234研究背景

金屬硅化物因容易與硅工藝兼容引起人們極大的關(guān)注。集成電路中的硅表面金屬化過程可采用一些過渡金屬硅化物實現(xiàn)。近年來，β-FeSi2及Mg2Si、Ca2Si和BaSi2等堿土金屬硅化物的光電及熱電性質(zhì)被廣泛研究。然而對堿金屬硅化物的研究卻很少，最近Y.Imai等人采用第一性原理計算初步證實堿金屬硅化物為半導(dǎo)體材料，認為堿金屬元素是改善BaSi2能帶結(jié)構(gòu)適合的摻雜物質(zhì)，以使BaSi2的能帶帶隙符合太陽能電池要求的理想值，然而在國內(nèi)尚無這方面研究的報道。研究背景

鑒于鉀在地球上蘊量豐富且在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，故采用基于密度泛函理論的贗勢平面波方法KSi的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度進行了計算，并詳細探討了其電子結(jié)構(gòu)特點。計算方法KSi屬立方晶系，其空間群P4—3n(218)，晶格常數(shù)a=1.262nm。其Pearon符號為cP64，一個原胞中包含64個原子，K和Si各有兩種原子環(huán)境，其坐標(biāo)位置如表1所示。計算方法

通過對稱變換構(gòu)成晶胞，如圖1所示。其中Si原子間構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)，形成Si-4陰離子，周圍有16個K+陽離子。計算基于密度泛函理論描述電子間的相互作用，其交換相關(guān)勢由局域密度近似或廣義梯度近似進行校正；用贗勢描述電子與原子核間的相互作用；將電子波函數(shù)通過平面波基組展開，利用總能量最低原則計算的方法。

計算以通過實驗測得的晶格常數(shù)為基礎(chǔ)，首先進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將晶胞中的價電子波函數(shù)用平面波基矢展開，其截斷能量Ecut＝380eV，迭代過程中的收斂精度為1×10-6eV。選取廣義梯度近似來處理交換關(guān)聯(lián)能部分，交換關(guān)聯(lián)勢采用超軟贗勢。為了得到體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在KSi實驗晶格常數(shù)值附對晶胞體積和總能量進行了優(yōu)化計算，通過計算這些不同晶胞體積下體系的總能量，得出了KSi晶格常數(shù)的優(yōu)化值a=b=c=1.24888792，與實驗值的誤差為-0.95%。計算方法其倒易格子如圖2實線所示。布里淵區(qū)積分采用高對稱特殊k點方法，能量計算在倒易空間中進行，其第一布里淵區(qū)高對稱點如圖2所示，沿X(0.5,0,0)—R(0.5,0.5,0.5)—M(0.5,0.5,0)—Γ(0,0,0)—R(0.5,0.5,0.5)，計算其能帶結(jié)構(gòu)。計算方法圖3是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，計算得到的KSi在費米面附近的能帶結(jié)構(gòu)圖。由圖3(a)顯示，KSi的能帶在價帶的M點得到最大值0eV，而在導(dǎo)帶的X點取得最小值1.422eV,因此KSi在價帶的M點到導(dǎo)帶的X點表現(xiàn)出間接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)，帶隙寬度Eg=1.422eV,但價帶在X點的最頂點的特征能量值僅為-0.009eV,在第一布里淵區(qū)中高對稱點X處有準(zhǔn)直接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)，在一定的精度內(nèi)可以認為是直接帶隙半導(dǎo)體。計算結(jié)果圖3是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，計算得到的KSi在費米面附近的總態(tài)密度圖。圖3(b)顯示，在費米面附近，KSi的價帶主要由Si的電子態(tài)構(gòu)成，導(dǎo)帶在1.5eV到2eV之間主要是由K的電子態(tài)構(gòu)成，在

2eV以上由K和Si的電子態(tài)共同構(gòu)成。計算結(jié)果第一布里淵區(qū)中高對稱波矢點在價帶頂Ev和導(dǎo)帶底Ec的特征能量值見表2計算結(jié)果圖4(a)(b)為費米面附近KSi中單個K原子的

部分態(tài)密度圖。由圖4(a)(b)顯示，K1的4s電子態(tài)對導(dǎo)帶的貢獻要大于K2，K1與K2的p態(tài)電子對導(dǎo)帶的貢獻相當(dāng)。在2eV以上由K的4s電子態(tài)密度減小，3p態(tài)密度增大。計算結(jié)果圖4(c)(d)為費米面附近KSi中單個Si原子的

部分態(tài)密度圖。在靠近費米附近Si2的3p電子態(tài)是價帶形成的關(guān)鍵因素，此外，Si1與Si2對價帶的貢獻基本相同，晶胞內(nèi)Si原子的3p電子態(tài)共同作用形成KSi的價帶。計算結(jié)果結(jié)論使用基于第一性原理的密度泛函理論贗勢平面波方法對KSi的能帶結(jié)構(gòu)進行了理論計算。能帶結(jié)構(gòu)計算表明：在費米面附近，KSi是一種準(zhǔn)直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.42eV；KSi價帶主要是由Si的3p態(tài)電子構(gòu)成，靠近