硅化钡及掺磷硅化钡电子结构和光学性质的第一性原理计算.doc

BaSi2和P:BaSi2电子结构及光学性质的 第一性原理计算 摘要：本文根据第一性原理，利用CASTEP软件理论计算了正交相的BaSi2及P:BaSi2晶体的电子结构和光学性质。计算结果表明，未掺P时BaSi2晶体的禁带宽度为0.9eV， 掺P后其电子结构和光学性质均发生较大改变：晶体的导带被费米能级穿越，静态折射率变成12.5等。总体来看，掺P使BaSi2半导体材料转变为带自由电子的N型半导体材料。 关键词：第一性原理；BaSi2；P:BaSi2；电子结构；光学性质 BaSi2 and P: BaSi2, electronic structure and optical properties First principles calculations Abstract：Crystal cell structure for orthogonal phase of of Silicon of barium (BaSi2) is a fine of new semiconductor material (has new optical, and magnetic, and electrical characteristics of material), in light, and electric, and hot area are has widely of of application, for this BaSi2 and the P:BaSi2 of first sexual principle calculation both comparison important of significance, this under first sexual principle, using CASTEP module theory calculation has orthogonal phase of BaSi2 and the P:BaSi2 of electronic structure and optical nature, calculation structure indicates that mixed with P .To make BaSi2 into free electrons in n-type semiconductor materials semiconductor materials. Keywords：First-Principles；BaSi2；P:BaSi2；electronic structure；optical properties 0 引言 不同性质的材料，其导电性不同，按导电能力可分绝缘体。McKee等人[1]在Si(001)面生长BaSi2，BaO、BaTiO3的薄膜外延结构，并且说明了BaSi2在BaO和Si之间作为一种界面模板起到了重要作用。1996年和1998年，Imai等人[2,3]在高温高压下，对BaSi2从正交相到三角形的结构的过渡进行了测试。1996年，实验结果表明当加压达到5.2 GPa，温度到673 K时，正交相的BaSi2转换成了三角形结构。而1998年的实验表明，BaSi2在室温下压缩达到7.1 GPa时，正交相的BaSi2并没有显示出相变，仅是衍射峰发生了改变而变宽了。2006年Kishino等人[4]利用垂直Bridg- man的方法对BaSi2晶体进行成功的生长，X射线衍射分析表明，生长的晶体是正交相的BaSi2，测量光学吸收的结果确定了在室温下的光学转换的不同类型。2002年，Nakamura等人[5]用第一性原理方法计算得到正交相结构的BaSi2能带结构，通过对正交相BaSi2光电特性在氩气的保护下用电弧熔化的方法进行研究，得到BaSi2晶体的间接带隙宽度为1.1 eV。Imai等人[6]同样根据第一性原理计算BaSi2晶体的电子结构，得到其带宽为0.457 eV。2004年，Ivanenko等人[7]利用全电势线性缀加平面波法计算BaSi2晶体的电子结构，从而获知带隙宽度为0.83 eV。近年来Kishino等人[8]利用局域密度近似的全电势线性平面波方法同样得到了BaSi2电子能带结构到的了禁带宽度为0.72 eV。 以上主要是对BaSi2各种性质的研究，并未对掺杂的BaSi2晶体有过计算，而本文主要是对P:BaSi2的电子结构和光学性质进行研究分析并与原BaSi2晶体的性质进行比较，从而得到其电子结构和光学性质的改变特点。 1 理论模型和计算方法 1.1 理论模型 BaSi2晶体具有稳定的正交相、亚稳定的立方相和三角形相三种结构[9,10]，但只有稳定的正交相结构的BaSi2才是半导体材料，其空间群是Pnma(No.62)，晶格常数