不同浓度Y掺杂β—FeSi2光电特性研究

张春红　张忠政

摘 要：文章采用赝势平面波方法对不同浓度稀土Y掺杂β-FeSi2的光电性质进行了计算和分析。研究发现：β-FeSi2中掺入Y后晶胞体积变大，并且随着Y浓度的增加，体积也会越来越大；费米面附近的能带结构变得复杂；静态介电常数明显增大，介电函数虚部峰值增大且向低能方向移动。研究结果为β-FeSi2掺杂改性提供依据。

关键词：β-FeSi2；掺杂；能带结构；介电函数

中图分类号：P618.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0030-03

Abstract： The pseudo-potential plane wave method was used to calculate and analyze the photoelectric properties of β-FeSi2 doped by rare earth Y with different concentrations. It was found that the volume of β-FeSi2 become larger after Y-doped， and the volume becomes larger with the increase of Y concentration. The energy band structure near the Fermi surface becomes complicated. The static dielectric constant increases significantly. The peak of the imaginary part of the dielectric function increases and moves in the direction of low energy. The results provide basis for the doping modification of β-FeSi2.

Keywords： β-FeSi2； doping； band structure； dielectric function

1 概述

21世纪是信息化高速发展的时代，而要实现信息化时代就需要大量的光电材料的支持。最常用的化合物半导体的组成元素有Ga、In、P、Te、As、S、Se、Pb等，在这些光电材料中，或是有毒或是资源匮乏。对这样的问题，科学家提出了环境友好型半导体材料。β-FeSi2就是其中较为理想的一种半导体材料。

β-FeSi2是由地壳中含量较多的Fe和Si两种元素组成，并且这两种元素寿命较长可循环利用，对环境也无污染，所以β-FeSi2是一种新型环境友好型半导体材料。β-FeSi2的带隙在0.80eV-0.89eV[1-2]之间，对红外波长的吸收率很高。它的热电转换可控制在200℃～900℃的高温范围内，而且具有耐氧化、无污染、无毒、原料价格便宜、来源丰富等优点。研究发现，掺杂对β-FeSi2的光电特性有很大的影响[3-4]。因此，本文将对β-FeSi2掺杂不同浓度稀土元素钇（Y）的光电性质进行计算和分析，希望能为β-FeSi2的掺杂改性提供一些依据。

2 计算方法及模型

计算方法采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法，计算工作由CASTEP软件包[5]完成。β-FeSi2属于CmCa空间对称群，三个晶格常数分别为a=0.9879nm，b=0.7799nm，c=0.7839nm。一个β-FeSi2单胞有48个原子，其中16个Fe原子和32个Si原子。用一个Y原子分别置换1～4个Fe原子，得到4个不同浓度Y掺杂β-FeSi2的结构模型，然后再对4个晶体结构进行幾何优化，得到最稳定的晶体结构，再计算其光电性质。

3 计算结果分析

表1所示是不同浓度Y掺杂前后β-FeSi2的晶格参数。从表中可以看出，掺入稀土元素Y后晶格体积变大，并且随着Y浓度的增加，晶体体积越来越大。这是因为Y的原子半径（0.227nm）比Fe的（0.117nm）大。

图1是未掺杂β-FeSi2和掺入不同浓度Y原子后β-FeSi2的能带结构图。图中横向虚线代表费米能级。

从图1（a）可看出β-FeSi2的价带在G点取得最大值0，而导带在Z点附近的A点取得最小值0.842eV，所以β-FeSi2的带隙宽度为0.842eV，导电类型为p型，属于间接带隙半导体。

从图1（b）可知，掺入1个Y时，导带和价带均向下偏移，费米能级移入导带中，导电类型为n型；且导带向下偏移的幅度比价带大，导致带隙明显变窄。1个Y掺杂后的β-FeSi2仍是间接带隙半导体，如图1（b）所示，由于在价带的T点取得最大值，在导带底的Z点取得最小值，间接带隙为0.276eV。

如图1（c） （d）所示，当掺入2～3个Y时，β-FeSi2费米面附近的能带结构越来越复杂，且无带隙。

从图1（e）可看出当掺入4个Y时，能带和导带又分开形成带隙，β-FeSi2在价带M点取得最大值0，在导带N点取得最小值0.132eV，带隙宽度为0.132V，表现为间接带隙的半导体性质，费米能级穿过价带顶，导带向下偏移明显，导致带隙变窄，导电类型为p型。

图2所示为未掺杂β-FeSi2和不同浓度Y掺杂后β-FeSi2的介电函数的实部及虚部。

如图2（a）为不同浓度Y掺杂前后β-FeSi2的介电函数的实部。由图可看出未掺杂时β-FeSi2的静态介电函数

ε1（0）=14.561。掺入1～4个Y后，ε1（0）分别为49.519、41.472、49.231、35.732，说明Y的掺入明显的提高了材料的静态介电常数。

由图2 （b）不同浓度Y掺杂前后β-FeSi2的介电函数的虚部可看出，每条曲线都有一个峰值，可看出掺杂后的介电峰值增大且趋向低能方向，同时随着浓度的增加，介电函数的虚部峰值逐渐降低。

参考文献：

[1]罗胜耘，曾正，陆安江.一种新型环境半导体材料β-FeSi2[J].化工与材料，2008，114（5）：20-21.

[2]闫万 ，谢泉，等.铁硅化合物β-FeSi2带间光学跃迁的理论研究[J].半导体学报，2007，28（9）：1381-1387.

[3]闫万 ，谢泉.掺杂β-FeSi2的电子结构及光学性质的第一性原理研究[J].半导体学报，2008，29（6）：1141-1146.

[4]张春红，张忠政，等.稀土（Y、Ce）掺杂β-FeSi2光电性质的第一性原理研究[J].光学学报，2015，35（1）：285-291.

[5]M. D. Segall， P. J. D. Lindan， M. J. Probert et al.. First-principles simulation： ideas， illustrations and the CASTEP code [J]. J. Phys. Condens. Matter， 2002，14（11）：2717-2722.