β-FeSi2能带结构及光电子特性计算

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本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对具有重大应用前景的半导体光电子材料β-FeSi2块体、在硅基外延生长的β-FeSi2以及掺杂Fe1-xMxSi2(x=0.125)(M=Mn,Cr,Co,Ni)的几何结构、能带结构及其光电子特性进行了详细的计算研究。详细计算了块体β-FeSi2的几何结构、能带结构和光学性质。结果表明βFeSi2为准直接带隙半导体,其能带结构点Y处的直接能隙为0.82eV,点Y→FZ间的间接能隙为0.74eV;其能态密度主要由Fe的3d层电子和Si的3p层电子的能态密度决定;复介电函数的计算表明β-FeSi2具有各项异性的性质,吸收系数在光子能量为6.26eV处达到最大峰值2.67×105cm-1,折射率n0=4.2。详细计算了Si基外延β-FeSi2的几何结构、能带结构和光学性质。结果表明Si基外延β-FeSi2的带隙性质会随着晶格常数的变化而变化,并首次找到了β-FeSi2由间接带隙转变为直接带隙的晶格常数的转变点;不同Si基外延匹配情况下的β-FeSi2的光学性质因带隙性质的不同而变化,外延匹配关系为β-FeSi2(100)//Si(001)时,表现为直接跃迁的β-FeSi2的吸收峰最大值比块体及其他三种外延情况下的β-FeSi2的增大很多;它的反射范围较大,电子能量损失函数最大峰值出现在能量较高的位置,最大峰值达到200,远大于其他情况的电子能量损失函数。详细计算了掺杂Fe1-xMxSi2(x=0.125)(M=Mn,Cr,Co,Ni)的几何结构、能带结构和光学性质。结果表明杂质原子对Fe原子的取代造成晶格畸变,晶胞体积增大;掺入不同杂质时掺杂原子的置换位置具有择位性,Mn掺杂时Mn原子的置换位置为FeⅠ位的Fe原子,Cr、Co、Ni掺杂时杂质原子的置换位置为FeⅡ位的Fe原子;Mn、Cr掺杂后,费米面向价带偏移,β-FeSi2导电类型变为p型,Co、Ni掺杂后,费米面向导带偏移,β-FeSi2导电类型变为n型;首次计算了杂质的存在对β-FeSi2的光学性质造成的影响:掺杂后的β-FeSi2的复介电函数、吸收系数、折射率、反射率、光电导率光谱都向低能方向发生了偏移;Mn、Cr掺杂使得能量损失函数的最大峰值向低能方向偏移,最大吸收峰的值减小;Co、Ni掺杂使得能量损失函数的最大峰值向高能方向偏移,最大吸收峰的值增大;Mn、Co、Ni的掺入增大了β-FeSi2的折射率n0;Co、Ni的掺入使得β-FeSi2在高能区域的反射谱带间跃迁范围增大,其光电导率也增大。
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