Na、Lu掺杂Mg2Si的电子结构及光学性质的第一性原理计算

何安娜，肖清泉，秦铭哲，谢 泉

(贵州大学大数据与信息工程学院，新型光电子材料与技术研究所，贵阳 550025)

1 引 言

作为Mg-Si二元体系中唯一的稳定化合物，Mg2Si是一种具有反萤石结构的间接窄带隙半导体，实验带隙宽度为0.77 eV[1]。Mg2Si在中温阶段(450～800 K)具有高热电势率和低热导，而且其结构简单、体积小、可靠性高[2]。Mg2Si的资源丰富、价格低、无毒无污染，是在车辆工程、光纤通信、深空探测、工业废热回收、制冷、光电子器件等领域有着巨大潜力的环境友好半导体材料。

作为一种材料改性的有效方式，掺杂改善Mg2Si材料热电性能，也改变其导电类型，调控其跃迁带隙，改善其对红外光子的吸收等。近年来，很多学者通过掺杂Ge[3]、Sn[4]、Sb[5]、Bi[6]、Ag[7]、Al[8]、Co[9]、Sc[10]、Yb[11]、Nd[12]、Y[13]、B[14]等元素，改善了Mg2Si的热电性能，改变了其导电类型以及光学性质。本文通过基于密度泛函理论(Density functional theory，DFT)的第一性原理赝势平面波方法[15-16]，利用Materials Studio软件，对未掺杂Mg2Si以及Na、Lu掺杂后的Mg2Si进行计算，分析Na、Lu掺杂对Mg2Si的能带结构、态密度、光学性质的影响。

2 理论模型与计算方法

Mg2Si空间群为Fm-3m(No.225)，晶格常数为a=0.635 nm[17]。图1为Mg2Si晶体结构，从图中可以看出，晶体中Si、Mg原子错落有致排列，Si原子位于立方晶体结构中的八个顶角、六个面的面心，构成面心立方结构；Mg原子位于8个小立方体的中心位置，处于Si原子形成的四面体结构的中心位置，即Mg原子占据8c(0.25，0.25，0.25)位，Si原子占据4a(0，0，0)位[18]。图2为Mg2Si的原胞结构，掺杂时，选取Mg2Si原胞为本体，用Na、Lu原子分别取代位于(0.25，0.25，0.25)的Mg原子[19]。

图1 Mg2Si的晶体结构
Fig.1 Crystal structure of Mg2Si

图2 Mg2Si的原胞结构
Fig.2 Primitive cell structure of Mg2Si

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，由CASTEP[20]软件包完成计算。……