Bi2Se3晶體p-型摻雜的第一性計算及其制備研究.pdf

1、作為一種傳統(tǒng)的熱電材料，Bi2Se3是目前為止發(fā)現(xiàn)的帶隙最大的拓?fù)浣^緣體（其帶隙約為0.3eV），在無能耗電子器件和量子計算上有著廣泛的潛在應(yīng)用。但未摻雜的Bi2Se3是n-型材料。無論作為熱電材料，還是作為拓?fù)浣^緣體應(yīng)用，都有必要對Bi2Se3的p-型摻雜進(jìn)行深入研究。
　　本文采用第一性原理的方法研究了Bi2Se3的電子結(jié)構(gòu)、本征缺陷及 Ca和Mg的摻雜作用。重點對p-型摻雜效果及實現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并采用熔融法制備了Bi2S

2、e3及Mg摻雜Bi2Se3材料。
　　首先，利用QUANTUM-ESPRESSO軟件包，在對庫倫場中全電子軌道波函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，生成了Mg、Se、Bi的模守恒贗勢。在生成贗勢時，Mg、Se、Bi參考組態(tài)分別為[Ne]3s2、[Ar]3d104s24p4、[Xe]4f145d106s26p3，僅將最外層電子作為價電子，所用的交換關(guān)聯(lián)能為 PW91型局域密度近似或 PBE型局域密度近似。Mg、Se、Bi的單質(zhì)和化合物的晶格晶胞參數(shù)和

3、能帶計算結(jié)果表明，所生成的Mg、Se贗勢具有較高精度；Bi的5d電子對計算結(jié)果有較大影響。
　　其次，我們計算了Bi2Se3的本征缺陷形成能，研究結(jié)果表明：反位缺陷 BiSe不可能形成；而SeBi的形成能為負(fù)，Se空位形成能為0.057Ry，這說明自然生長所得Bi2Se3的n型特征是由SeBi和VSe共同產(chǎn)生的。而實驗制得的Bi2Se3中Bi含量偏高，因此，材料中還應(yīng)含有大量的Bi的面缺陷。
　　然后，我們研究了 Ca、Mg

4、對 Bi2Se3的摻雜的效果。計算了 Ca、Mg取代Bi、Se的替位式缺陷XBiq、XSeq(X:Ca,Mg; q=0,-1,-2)的形成能以及Ca、Mg摻入在五原子層的層間間隙的形成能，研究得到 XBiq(X:Ca,Mg; q=0,-1,-2)的形成能小于-1.8Ry，而其它缺陷形成能均大于零，這一結(jié)果表明 Ca、Mg能對Bi2Se3實現(xiàn)p型摻雜。進(jìn)一步比較Ca、Mg的各缺陷形成能的大小，我們發(fā)現(xiàn) Ca的摻雜效果要好于Mg的摻雜效果。