KSi 能带结构及态密度的第一性原理研究

KSi能带结构及态密度的第一性原理研究主要内容研究背景计算方法计算结果结论1234研究背景

金属硅化物因容易与硅工艺兼容引起人们极大的关注。集成电路中的硅表面金属化过程可采用一些过渡金属硅化物实现。近年来，β-FeSi2及Mg2Si、Ca2Si和BaSi2等碱土金属硅化物的光电及热电性质被广泛研究。然而对碱金属硅化物的研究却很少，最近Y.Imai等人采用第一性原理计算初步证实碱金属硅化物为半导体材料，认为碱金属元素是改善BaSi2能带结构适合的掺杂物质，以使BaSi2的能带带隙符合太阳能电池要求的理想值，然而在国内尚无这方面研究的报道。研究背景

鉴于钾在地球上蕴量丰富且在工业上应用广泛，故采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法KSi的能带结构及态密度进行了计算，并详细探讨了其电子结构特点。计算方法KSi属立方晶系，其空间群P4—3n(218)，晶格常数a=1.262nm。其Pearon符号为cP64，一个原胞中包含64个原子，K和Si各有两种原子环境，其坐标位置如表1所示。计算方法

通过对称变换构成晶胞，如图1所示。其中Si原子间构成四面体结构，形成Si-4阴离子，周围有16个K+阳离子。计算基于密度泛函理论描述电子间的相互作用，其交换相关势由局域密度近似或广义梯度近似进行校正；用赝势描述电子与原子核间的相互作用；将电子波函数通过平面波基组展开，利用总能量最低原则计算的方法。

计算以通过实验测得的晶格常数为基础，首先进行几何结构优化，将晶胞中的价电子波函数用平面波基矢展开，其截断能量Ecut＝380eV，迭代过程中的收敛精度为1×10-6eV。选取广义梯度近似来处理交换关联能部分，交换关联势采用超软赝势。为了得到体系的稳定结构，在KSi实验晶格常数值附对晶胞体积和总能量进行了优化计算，通过计算这些不同晶胞体积下体系的总能量，得出了KSi晶格常数的优化值a=b=c=1.24888792，与实验值的误差为-0.95%。计算方法其倒易格子如图2实线所示。布里渊区积分采用高对称特殊k点方法，能量计算在倒易空间中进行，其第一布里渊区高对称点如图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)，计算其能带结构。计算方法图3是在结构优化的基础上，计算得到的KSi在费米面附近的能带结构图。由图3(a)显示，KSi的能带在价带的M点得到最大值0eV，而在导带的X点取得最小值1.422eV,因此KSi在价带的M点到导带的X点表现出间接带隙半导体的性质，带隙宽度Eg=1.422eV,但价带在X点的最顶点的特征能量值仅为-0.009eV,在第一布里渊区中高对称点X处有准直接带隙半导体的性质，在一定的精度内可以认为是直接带隙半导体。计算结果图3是在结构优化的基础上，计算得到的KSi在费米面附近的总态密度图。图3(b)显示，在费米面附近，KSi的价带主要由Si的电子态构成，导带在1.5eV到2eV之间主要是由K的电子态构成，在

2eV以上由K和Si的电子态共同构成。计算结果第一布里渊区中高对称波矢点在价带顶Ev和导带底Ec的特征能量值见表2计算结果图4(a)(b)为费米面附近KSi中单个K原子的

部分态密度图。由图4(a)(b)显示，K1的4s电子态对导带的贡献要大于K2，K1与K2的p态电子对导带的贡献相当。在2eV以上由K的4s电子态密度减小，3p态密度增大。计算结果图4(c)(d)为费米面附近KSi中单个Si原子的

部分态密度图。在靠近费米附近Si2的3p电子态是价带形成的关键因素，此外，Si1与Si2对价带的贡献基本相同，晶胞内Si原子的3p电子态共同作用形成KSi的价带。计算结果结论使用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法对KSi的能带结构进行了理论计算。能带结构计算表明：在费米面附近，KSi是一种准直接带隙半导体，禁带宽度为1.42eV；KSi价带主要是由Si的3p态电子构成，靠近