K、Ti掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

张 琴，谢 泉，杨文晟，黄思丽

(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)

0 引 言

硅化物被称为生态友好型半导体材料，由地壳中的无毒或毒性较小的天然元素组成，广泛应用于光电和热电设备，而Mg2Si属于最有前途的生态友好型半导体材料之一[1]。Mg2Si具有无毒，无污染，低密度，地壳成分丰富且成本低等特点，因此有望在中温范围内(500～800 K)成为理想的热电材料[2]。由于金属硅化物Mg2Si具有高吸收系数[3]，适用于多结太阳能电池，并且具有高热电势率和低热导[4]，是一种很有发展潜力的热电材料。

获得更理想的电子结构和光学性能的光电材料[5]一直是该领域的热点，而掺杂是改变材料光电特性的有效手段之一，它不仅调节材料的电子跃迁模式，而且改变其导电类型，从而提高材料对红外光子的吸收等。近年来，很多学者通过掺杂Te[5]、Sm[6]、La[6-7]、B[8]、Bi[9]、Sb[10]、Ag[11]、Al[12]、Li[13]、Co[14]、Ce[15]、Yb[16]、Nd[17]等不同的元素，对Mg2Si材料的光电性质、热电性能和导电性进行研究。目前尚未见K、Ti元素掺杂对Mg2Si的光电特性的报道。本文采用第一性原理计算方法，探究了本征以及K和Ti掺杂后的Mg2Si的电子结构和光学性能，从理论上探究了K和Ti掺杂对Mg2Si有何影响。

1 理论模型及计算方法

1.1 理论模型

图1 Mg2Si的单胞结构模型Fig.1 Model of Mg2Si unit cell

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

1.2 计算方法

使用Material Studio软件中的CASTEP模块来完成计算[23]，在搭建模型后采用BFGS[24]算法进行几何结构优化，计算采用超软赝势来模拟离子与电子的相互作用,交换关联采用广义梯度近似(GGA)-RPBE来处理[25]。平面波的截断能设置为……