KSi 能帶結構及態(tài)密度的第一性原理研究

KSi能帶結構及態(tài)密度的第一性原理研究主要內容研究背景計算方法計算結果結論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體材料，認為堿金屬元素是改善BaSi2能帶結構適合的摻雜物質，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的能帶結構及態(tài)密度進行了計算，并詳細探討了其電子結構特點。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，其坐標位置如表1所示。計算方法

通過對稱變換構成晶胞，如圖1所示。其中Si原子間構成四面體結構，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，首先進行幾何結構優(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聯(lián)能部分，交換關聯(lián)勢采用超軟贗勢。為了得到體系的穩(wěn)定結構，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)，計算其能帶結構。計算方法圖3是在結構優(yōu)化的基礎上，計算得到的KSi在費米面附近的能帶結構圖。由圖3(a)顯示，KSi的能帶在價帶的M點得到最大值0eV，而在導帶的X點取得最小值1.422eV,因此KSi在價帶的M點到導帶的X點表現(xiàn)出間接帶隙半導體的性質，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處有準直接帶隙半導體的性質，在一定的精度內可以認為是直接帶隙半導體。計算結果圖3是在結構優(yōu)化的基礎上，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)構成，導帶在1.5eV到2eV之間主要是由K的電子態(tài)構成，在

2eV以上由K和Si的電子態(tài)共同構成。計算結果第一布里淵區(qū)中高對稱波矢點在價帶頂Ev和導帶底Ec的特征能量值見表2計算結果圖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)對導帶的貢獻要大于K2，K1與K2的p態(tài)電子對導帶的貢獻相當。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)是價帶形成的關鍵因素，此外，Si1與Si2對價帶的貢獻基本相同，晶胞內Si原子的3p電子態(tài)共同作用形成KSi的價帶。計算結果結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的能帶結構進行了理論計算。能帶結構計算表明：在費米面附近，KSi是一種準直接帶隙半導體，禁帶寬度為1.42eV；KSi價帶主要是由Si的3p態(tài)電子構成，靠近