稀土元素(Ce/Pr/Nd)掺杂Mn4Si7的第一性原理计算

冯 磊， 张晋敏， 谢 杰， 潘王衡， 王 立， 贺 腾， 陈 茜，肖清泉，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

高锰硅(Higher manganese silicide, HMS)是四个锰硅化合物相(Mn4Si7、Mn11Si19、Mn15Si26、和Mn27Si47)的统称[1]，它是一类抗氧化性好、化学性质稳定、成本低、无毒无污染的环境友好型半导体材料，具有优异的光电性能[2].张民等人[3]在研究了其中的Mn4Si7的能带结构后发现，Mn4Si7具有0.83 eV的禁带，在光电领域有着重要的应用前景，可用作光纤通信，红外探测器等.刘怿辉等人[4]计算了硅基外延Mn4Si7薄膜的介电函数，吸收谱，复折射率和光电导率，为该材料在光电性能方面的研究提供了参考.稀土元素是一类重要的改性添加剂，具有特殊的4f亚层，可吸收或发射从紫外光到红外光区的各种波长的辐射.目前在关于稀土掺杂改变材料光学性质方面有许多报道.如雷博程等人[5]计算分析了稀土元素(Ce/Nd/Sm/Gd)掺杂SnO2的电子结构和光学性质，张忠政等人[6]计算了稀土La掺杂CrSi2的几何结构，电子结构和光学性质，结果都表明掺杂后光学吸收边向低能方向移动，吸收峰减小.张春红等人[7]计算了稀土(Ce/Gd)掺杂CdS的介电常数，掺杂后静态介电常数明显增大.稀土掺杂可改善材料的光电性质已是一种共识.

目前，对Mn4Si7进行稀土掺杂的理论研究未见报道.本文用稀土元素Ce、Pr或Nd取代Mn4Si7晶胞中的一个Mn原子，基于第一性原理计算了掺杂前后体系的晶体结构、电子结构、光学性质，从理论上分析了Ce、Pr或Nd掺杂对Mn4Si7的影响.

2 理论模型及计算方法

图1 结构……