（001）应变对正交相Ca2 P0.25 Si0.75能带结构及光学性质的影响.pdf

第２３卷第３期２０１５年６月材料科学与工艺ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹｌｌＶｏｌ２３ｌｌＮｏ３Ｊｕｎ．２０１５ｄｏｉ：１０．１１９５１／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２９９．２０１５０３２２（００１）应变对正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及光学性质的影响岑伟富，杨吟野，范梦慧，杨文帮，姚娟（贵州民族大学理学院，贵阳５５００２５）摘要：为了研究（００１）应变对正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及光学性质的影响，采用第一性原理贋势平面波方法对（００１）应变下正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的能带结构及光学性质进行了模拟计算．计算结果表明：晶格（００１）面发生１００％～１１６％张应变时，带隙随着应变增加而减小；在晶格发生８８％～１００％压应变时，带隙随着张应变的增加而增加；８４％～８８％压应变时，带隙随着压应变的增加而减小．当施加应变后光学性质发生显著的变化：随着压应变的增加，静态介电常数、折射率逐渐减小，张应变则增大．施加压应变反射向高能方向偏移，施加张应变反射向低能方向偏移，但施加应变对反射区域的影响不显著．施压应变吸收谱、光电导率的变化与介电函数和折射率相反．综上所述，（００１）应变改变了Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的电子结构和光学常数，是调节Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５光电传输性能的有效手段．关键词：应变；能带结构；光学性质；第一性原理；Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５中图分类号：０４７２．＋３文献标志码：Ａ文章编号：１００５－０２９９（２０１５）０３－０１１２－０６Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆ（００１）ｓｔｒａｉｎｏｎｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ＣＥＮＷｅｉｆｕ，ＹＡＮＧＹｉｎｙｅ，ＦＡＮＭｅｎｇｈｕｉ，ＹＡＮＧＷｅｎｂａｎｇ，ＹＡＯＪｕａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＧｕｉｚｈｏｕＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆ（００１）ｓｔｒａｉｎｏｎｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５．ＴｈｅｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５⁃⁃ｂｕｌｋｕｎｄｅｒｔｈｅ（００１）ｓｔｒａｉｎｈａｖｅｂｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙ（ＤＦＴ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋｉｓａｄｉｒｅｃｔｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｂａｎｄｇａｐｖａｌｕｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｒａｎｇｅｏｆ１００％～１１６％ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｒａｎｇｅｏｆ８４％～８８％，ｂｕｔｉｔｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｒａｎｇｅｏｆ８８％～１００％．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｈａｖｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｃｈａｎｇｅｂｙｓｔｒａｉｎｉｎｇ．ＴｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋａｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｈｅｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒａｉｎｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｙａｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄａｓｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋｍｏｖｅｄｔｏｔｈｅｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｉｔｍｏｖｅｄｔｏｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙｗｉｔｈｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＴｈｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋａｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒａｉｎｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＴｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋａｒｅｃｈａｎｇｅｄｂｙｓｔｒａｉｎｉｎｇｏｎｔｈｅ（００１）ｓｕｒｆａｃｅ．ＩｔｉｓａｕｓｅｆｕｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃＣａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５ｂｕｌｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｉｎｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｏｐｔｉｃａｌ⁃ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５收稿日期：２０１４－０３－１１．基金项目：教育部科学技术研究重点项目（Ｎｏ．２１０２００）；贵州省科学技术联合基金项目（Ｎｏ．ＬＫＭ２０１１３０）；贵州省优秀科技教育人才省长专项资金项目（Ｎｏ．２０１１７４）资助项目．作者简介：岑伟富—（１９８８），男，硕士研究生．通信作者：杨吟野⁃，Ｅｍａｉｌ：Ｙｔｈｉｎ１９６９＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ．碱土金属硅化物Ｃａ－Ｓｉ是一种新型的环境友好型半导体材料，Ｃａ和Ｓｉ反应生成六个中间相，其中Ｃａ２Ｓｉ是直接带隙半导体．Ｃａ２Ｓｉ具有两种结构，一种属于正交晶系，为稳定结构［１］，禁带宽度为０．３６ｅＶ，与实验值１．９ｅＶ相差较大［２－３］；另一种结构属于立方晶系，在外压力作用下为稳定结构，禁带宽度为０．５６ｅＶ［４］．Ｃａ２Ｓｉ具有优异的光学、电学性质，同时能在硅基上外延生长，在制备和使用过程中对环境无污染长期使用对生命体无害，因此在光电子器件、电子器件及热电器件等领域有广泛的应用前景，是一种潜在的理想半导体材料．Ｉｍａｉ等利用第一性原理贋势方法⁃（Ｔｈｅｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄ）计算得出正交相Ｃａ２Ｓｉ的能带结构，带隙为０．３６ｅＶ的直接带隙半导体［２，５］．Ｍｉｇａｓ等用全电势线性化缀加平面波方法（ＦＬＡＰＷ）和广义梯度近似（ＧＧＡ）对Ｃａ２Ｓｉ的基态能带、态密度和介电函数进行计算，得到正交相是一种稳定相．在实验方面，基于电阻率测量实验报道Ｃａ２Ｓｉ的带隙为１．９０ｅＶ［６］．ＴａｋａｇｉＮ等人应用蒸发加热处理两步法首次制备了单一相的Ｃａ２Ｓｉ晶体［７－８］．杨吟野等利用磁控溅射⁃（ＭＳ⁃Ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）技术，在Ｓｉ（１００）衬底上沉积Ｃａ膜，然后在真空退火中获得单一相直接迁移型的Ｃａ－Ｓｉ膜［９－１０］．Ｃａ－Ｓｉ膜在实际生长过程中受到温度、压强等使用条件影响导致其晶格发生应变，从而影响Ｃａ－Ｓｉ膜的电学性质和光学性质．到目前为此应变对材料性能的影响理论研究的报道较少［１１－１８］，但应变对Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５电子结构及光学性质的影响研究尚未见报道．Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５作为新型的半导体材料，有必要深入研究应变对其电子结构及光学性质的影响，揭示应变对其电子结构和光学性质的影响机理．因此，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波方法对应变作用下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的电子结构及光学性质进行全面的模拟计算和分析．１计算方法正交晶系Ｃａ２Ｓｉ空间群为Ｐｎｍａ（Ｎｏ．６２），晶格常数为ａ＝０．７６６７ｎｍ，ｂ＝０．４７７９ｎｍ，ｃ＝０．９００２ｎｍ每个原胞有１２个原子，其中８个Ｃａ原子，４个Ｓｉ原子［１］．由于正交相Ｃａ２Ｓｉ模型的４个Ｓｉ原子处于等效位置，Ｐ原子的置换不同位置对体系的影响较小，计算采用的正交相相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５模型暂不考虑不同位置置换对体系的影响．本文采用基于第一性原理的贋势平面波方法对晶格（００１）应变的模拟计算，即将正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５晶体的晶格常数ｃ在其晶胞优化后所得的晶格平衡值的８４％～１１６％范围内进行线性变化，文中所有的计算由ＣＡＳＴＥＰ（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅｓｅｒｉａｌｔｏｔａｌｅｎｅｒｇｙｐａｃｋａｇｅ）软件包完成［１９］．首先将Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的体系采用⁃ＢＦＧＳ（Ｂｒｏｙｄｅｎ，Ｆｌｅｔｃｈｅｒ，ＧｏｌｄｆａｒｂａｎｄＳｈａｎｎｏｎ）算法进行几何优化，得到稳定的结构体系．在稳定的结构体系下分别计算不同应变的电子结构和光学性质，体系的价电子波函数用平面波基矢展开并设平面波的截断能为３３０ｅＶ，迭代收敛精度为５×１０－６ｅＶ，选取广义梯度近似处理交换关联能部分，交换关联势计算采用ＰＢＥ（ＰｅｒｄｅｗＢｕｒｋｅｒＥｒｎｚｅｒｈｏｆ）提出的广义梯度近似方法（ＧＧＡ），采用超软贋势（ＵｌｔｅｒＳｏｆｔＰｓｅｕｄｏＰｏｔｅｎｔｉａｌ）计算离子实与电子之间的相互作用，计算总能量在倒易空间中进行，布里渊区积分采用⁃ＭｏｎｋｈｏｒｓｔＰａｃｋ方法Ｋ点取４×６×３．２结果及讨论２．１能带结构能带结构是分析光电子半导体材料的重要依据，在结构优化的基础上利用广义密度梯度近似（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＧｒａｄｉｅｎｔＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ，ＧＧＡ）近似处理交换关联泛函，超软贋势处理离子实与价电子之间的相互作用，平面波基组描述体系电子的波函数，计算得到应变条件下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５沿布里渊区高对称点方向的能带结构，如图１所示．图１（ｄ）为平衡状态下（未发生应变）的能带结构，由图可知Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５是带隙值为０．５６７６０ｅＶ的直接带隙半导体，价带主要由Ｓｉ的３ｐ，Ｃａ的３ｄ、４ｓ以及Ｐ的３ｐ态电子共同贡献，导带主要由Ｃａ的３ｄ电子贡献．当Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５材料受到（１００）面应力应变时，晶体中原子的相对位置发生变化迫使原子核附近的电子云发生重组，因此晶格常数相应发生变化使得其能带结构发生变化．图１（ａ）～（ｃ）为施加压应变Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的能带结构图，施加压应变改变了晶体中原子的相对位置，从而影响电荷的转移、Ｃａ－Ｓｉ、Ｃａ－Ｐ共价键的键长和键角．随着压应变的增加Ｃａ－Ｓｉ、Ｃａ－Ｐ共价键的键长被压缩，共价性增强，从而导致带隙变宽，这是施加压应变在８８％～１００％能带变化的主要原因．当应变达到８８％时其转变为ｎ型半导体，在８４％～８８％的压应变范围，带隙逐渐减小，其主要原因是随着应变得增大导致价带分裂．图１（ｅ）～（ｆ）为施加张应变Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的能带结构图，随着张应变的增加带隙逐渐变小，当张应变为１１６％时Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５转变为金属．计算结果表明了无论施加张应变还是压应变均能改变Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的能带结构，验证了应变是调控能带结构的有效手段．·３１１·第３期岑伟富，等：（００１）应变对正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及光学性质的影响3210-1-2-3-4ΓZTYSXUR能带量/eV(a)3210-1-2-3-4ΓZTYSXUR能带量/eV(b)3210-1-2-3-4ΓZTYSXUR能带量/eV(c)3210-1-2-3ΓZTYSXUR能带量/eV(d)3210-1-2-3ΓZTYSXUR能带量/eV(e)3210-1-2-3ΓZTYSXUR能带量/eV(f)图１应变为８４％（ａ）、８８％（ｂ）、９６％（ｃ）、１００％（ｄ）、１０４％（ｅ）、１１６％（ｆ）的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的能带结构２．２光学性质２．２．１介电函数介电函数作为沟通带间跃迁微观物理过程与固体电子结构的桥梁，通过介电函数可以得到其他各种光谱信息，Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５作为新型半导体材料，其光谱是由能级间电子跃迁产生．图２为应变条件下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的介电函数图．3020100-1001234530252015105012345ε1ε284%88%96%100%104%116%84%88%96%100%104%116%E/eVE/eV(a)(b)图２应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的介电函数实部（ａ）和虚部（ｂ）由图２可知，平衡状态下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的静态介电常数为１３．８１０１４．当施加应变后静态介电常数发生显著的变化：随着压应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的静态介电常数逐渐减小；随着张应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的静态介电常数逐渐增大．应变为８４％、８８％、９６％、１０４％、１１６％对应的静态介电常数分别为１３．１２０１１、１２．９７３３８、１３．２２９９３、１４．５７５０１、１６．１８０４１．介电函数发生变化的主要原因是：在外力作用下晶体中原子发生重排导致晶体场发生变化，导致晶体中原子核周围的电子云发生畸变，使得正负离子中心发生相对位移极化．当施加压应变Ｃａ－Ｓｉ、Ｃａ－Ｐ共价键的键长被压缩，共价性增强，极化削弱，介电常数变小；当施加张应变Ｃａ－Ｓｉ、Ｃａ－Ｐ共价键的键长被拉伸，共价性削弱，极化增强，介电常数增大．介电函数虚部的峰值是由于电子跃迁产生，它反应了Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及其他光谱信息，与未施加应变相比明显的发现：施加张应变，介电函数虚部的峰值及峰数随着·４１１·材料科学与工艺第２３卷张应变增加而增大；施加压应变，介电函数虚部的峰值及峰数随着压应变增加而减小．说明施加张应变电子跃迁增强，施加压应变电子跃迁削弱，与计算得到的能带结构变化一致．２．２．２复折射率由复折射率和介电函数的关系ε１＝ｎ２－ｋ２，ε２＝２ｎｋ得到Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的复折射率，图３为Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率和消光系数．54321012345η84%88%96%100%104%116%E/eV(a)24681043210κ84%88%96%100%104%116%E/eV(b)图３应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率（ａ）和消光系数（ｂ）由图３可知，平衡状态下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率为３．７１６２．当施加应变后折射率发生显著的变化：随着压应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率逐渐减小；随着张应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率增大．应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％对应的折射率分别为３．６２２１、３．６０１７、３．６３７３、３．７１６２、３．８１７７、４．０２２５．当光子能量在约５．７６９～６．８４３ｅＶ的能量范围，折射趋于零，这与反射率在该能量范围趋于１相对应，表明在此能量范围Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５呈现很强的反射特性．随着应变从８４％变化到１１６％，折射率的变化规律与介电函数实部的变化规律相似，均是由于原子相对位置变化所致．计算所得折射率ｎ０的值与静态介电常数ε１（０）完全对应．由消光系数图可知，其变化曲线在１ｅＶ附近漂移，漂移的能量大小与带隙变化的数值相等．当施加压应变时消光系数ｋ的峰值随着压应变的增加而减小，并且最大峰随着压应变向高能方向偏移；当施加张应变时消光系数ｋ的峰值随着张应变的增加而增加，并且最大峰随着张应变的增加向低能方向偏移．结果表明在此能量范围内施加压应变其光学响应增强，施加张应变其光学响应削弱，同时消光系数在带边表现出强烈的红外吸收特性，并且随着压应变增加向高能方向偏移，随着张应变增加向低能方向偏移．其原因是应变使得Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５晶体中原子核周围的电子云发生畸变，能带结构和费米面附近的电子态密度分布发生变化所致，对电子跃迁产生影响．２．２．３反射率由复折射率和反射谱的关系Ｒ（ω）＝（ｎ－１）２＋ｋ２（ｎ＋１）２＋ｋ２得到反射谱．由图４可知，没有施加应变Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的反射主要发生在能量为５．２６０～６．９１５ｅＶ的能量范围；施加８４％、８８％、９６％、１０４％、１１６％的应变，反射分别发生在５．９６６～７．０６９ｅＶ、５．７６８～７．０４７ｅＶ、５．５２５～６．９８１ｅＶ、５．２８２～６．８７１ｅＶ、４．５７６～６．７１６ｅＶ的能量范围，反射率达到９０％以上甚至反射全反射现象．由此可见施加压应变反射向高能方向偏移，施加张应变反射向低能方向偏移，但施加应变对反射区域的影响不显著，计算结果与折射率和吸收系数完全对应．1.00.80.60.40.20246810E/eV反射率84%88%96%100%104%116%图４应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的反射谱２．２．４吸收谱由吸收系数和介电函数的关系ａ（ω）＝ω／ｎｃε２（ω）可以得到Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的吸收谱如图５所示．无应变时Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的吸收系数α（ω）在３．６９４ｅＶ处达到最大峰，最大峰值为１６０７７７．５７ｃｍ－１．吸收系数α（ω）在６．０７６ｅＶ～６．４５１ｅＶ的能量范围吸收为零，与文中反射图（图４）中发生全反射的能量范围相对应．当施加８４％、８８％、９６％、１０４％、１１６％的应变，吸收系数α（ω）分别在４．１３５、４．４２２、３．８７１、３．４２９、２．８５６ｅＶ处达到最大峰，最大峰值分别为１７１９１７．７６、１６５０５６．９８、１６４９７６．７８、·５１１·第３期岑伟富，等：（００１）应变对正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及光学性质的影响１５６７４１．９８、１６０６６３．６５ｃｍ－１；而分别在６．５１８～６．６９４ｅＶ、６．３８５～６．６９４ｅＶ、６．１８６～６．５１７ｅＶ、５．９６６～６．４０７ｅＶ、５．３９３～６．３８５ｅＶ的能量范围系数为零．1.5?1051.0?1055.0?1040246810E/eV最大吸收峰84%88%96%100%104%116%图５应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的吸收光谱可见随着压应变的增加最大吸收峰随着增加，吸收系数为零的能量范围在减小，而随着张应变的增加最大吸收峰逐渐减小，吸收系数为零的能量范围逐渐增大．由此可得，施加压应变有利于Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５对光谱的吸收，而施加张应变则削弱Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５对光谱的吸收．２．２．５光电导率光电导率描述的是半导体材料电导率随着光照能量的变化而变化的物理参量．图６为Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的光电导率实部δ１．从图６可以得出，分别施加８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的应变，δ１在能量分别为２．３７１、２．０１７、１．７３１、１．６８７、２．３９２、２．０８４ｅＶ出达到最大值，最大值分别为６．２０６０４、６．４８７７５、６．３０７１５、６．０８５４５、６．４８１８１、７．１１７２．可见施加压应变可使Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的光电导率δ１增加并且向高能方向偏移；施加张应变可使Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的光电导率增加但向低能方向偏移，与介电函数虚部和吸收系数进行比较发现，它们的变化趋势基本一致，验证了它们之间的对应关系．电导率87654321012345E/eV84%88%96%100%104%116%图６应变为８４％、８８％、９６％、１００％、１０４％、１１６％的正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的光电导率３结论采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软贋势方法，模拟研究了应变作用下Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５（１００）面发生晶格应变时的能带结构、介电函数、复折射率、吸收谱、反射谱、光电导率等光学性质．计算得到：Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５（００１）面在晶格发生１００％～１１６％张应变时，Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５仍然直接带隙半导体，但带隙随着应变增加而减小；Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５（００１）面在晶格发生８８％～１００％压应变时，Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５属于直接带隙且禁带宽带随着张应变的增加而增加；８４％～８８％压应变时，Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５禁带宽带随着张应变的增加而减小．当施加应变后静态介电常数发生显著的变化：随着压应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的静态介电常数逐渐减小；随着张应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的静态介电常数逐渐增大．当施加应变后折射率发生显著的变化：随着压应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率逐渐减小；随着张应变的增加Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的折射率增大．施加压应变反射向高能方向偏移，施加张应变反射向低能方向偏移，但施加应变对反射区域的影响不显著．随着压应变的增加最大吸收峰随着增加，吸收系数为零的能量范围在减小，而随着张应变的增加最大吸收峰逐渐减小，吸收系数为零的能量范围逐渐增大．施加应变可使光电导率增加并且向高能方向偏移．综上所述，应变可以改变Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５的电子结构和光学常数，是调节Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５光电传输性能的有效手段．参考文献：［１］ＬＥＢÈＧＵＥＳ，ＡＲＮＡＵＤＢ，ＡＬＯＵＡＮＩＭ．ＣａｌｃｕｌａｔｅｄｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃａｎｄＣａ２Ｓｉ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，２００５，７２（８）：１－８．［２］ＩＭＡＩＹ，ＷＡＴＡＮＡＢＥＡ．Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃｓｏｆ⁃ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈｍｅｔａｌ⁃ｓｉｌｉｃｉｄｅｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇａｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ，２００２，１０（４）：３３３－３４１．［３］ＭＡＴＳＵＩＨ，ＫＵＲＡＭＯＴＯＭ，ＯＮＯＴ，ｅｔａｌ．ＧｒｏｗｔｈｏｆＣａ２ＳｉｌａｙｅｒｓｏｎＭｇ２Ｓｉ／Ｓｉ（１１１）ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ［Ｊ］．ＣｒｙｓｔＧｒｏｗｔｈ，２００２，２３７－２３９：２１２１－２１２４．［４］ＣＨＥＮＧＪ，ＹＡＮＧＹＹ，ＬＩＡＮＧＹ．ＳｅｌｅｃｔｉｖｅｇｒｏｗｔｈｏｆＣａ２ＳｉｆｉｌｍｉｎＣａ－ＳｉｓｙｓｔｅｍｂｙＲ．ＦＭＳｂｙａｎｎｅａｌｉｎｇ，［Ｃ］３Ｍ－ＮＡＮＯ，２０１２，９：７５－７９．［５］ＩＭＡＩＹ，ＷＡＴＡＮＡＢＥＡ，ＭＵＫＡＩＤＡＭ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ⁃ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈｍｅｔａｌ⁃ｓｉｌｉｃｉｄｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２００３，３５８（１－２）：２５７－２６３．·６１１·材料科学与工艺第２３卷［６］ＭＩＧＡＳＤＢ，ＭＩＧＬＩＯＬ，ＳＨＡＰＯＳＨＮＩＫＯＶＶＬ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣａ２Ｓｉ，Ｃａ２Ｇｅ，Ｃａ２ＳｎａｎｄＣａ２Ｐｂ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，２００３，６７（２０）：２０５２０３（１－７）．［７］ＴＡＫＡＧＩＮ，ＳＡＴＯＹ，ＭＡＴＳＵＹＡＭＡＴｅｔａｌ．ＧｒｏｗｔｈａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＭｇ２ＳｉａｎｄＣａ２⁃Ｓｉｂｕｌｋｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ．２００５，２４４（１－４）：３３０－３３３．［８］ＢＵＳＣＨＣ，ＪＵＮＯＤＰ，ＫＡＴＺＵ，ｅｔａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ⁃ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓＣａ２Ｓｉ，Ｃａ２Ｓｎ，Ｃａ２Ｐｂ，ＺｎＳｂ［Ｊ］．Ｈｅｌｖ．Ｐｈｙｓ．Ａｃｔａ．１９５４，２７（３３）：１９３－１９７．［９］ＹＡＮＧＹＹ，ＸＩＥＱ．Ａｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ⁃⁃Ｃａｓｉｌｉｃｉｄｅｆｉｌｍｇｒｏｗｔｈｂｙｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｎｅａｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｎｎｅａｌｉｎｇｔｉｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，２００９，４４（１４）：３８７７－３８８２．［１０］ＹＡＮＧＹＹ，ＸＩＥＱ．ＳｅｌｅｃｔｉｖｅｇｒｏｗｔｈｏｆＣａ２ＳｉｆｉｌｍｂｙａｎｎｅａｌｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＣａｆｉｌｍｓｂｙｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００９，５（２７）：６７５－６７８．［１１］马建立，张鹤鸣，宋健军，等．（００１）面任意方向单轴应变硅材料能带结构［Ｊ］．物理学报，２０１１，６０（２）：０２７１０１－０２７１０６．［１２］王冠宇，马建立，张鹤鸣，等．［１１０］／（０００１）单轴应变Ｓｉ本征载流子浓度模型［Ｊ］．物理学报，２０１１，６０（７）：０７７１０５－０７７１１１．［１３］郭伟国，左红星，孟卫华，等．第三种应变时效与机械波普关联性探讨［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１２，２０（１）：１２８－１３４．［１４］崔冬萌，贾锐，谢泉，等．Ｒｕ２Ｓｉ３在应力作用下的第一性原理研究［Ｊ］．发光学报，２０１１，３２（９）：９０７－９１２．［１５］ＷＡＮＧＬＷ，ＹＵＹＷ，ＷＥＩＺＪ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＨｙｐｏｅｕｔｅｃｔｉｃＡｌ－ＭｇＡｌｌｏｙＳｏｌｉｄｉｆｉｅｄａｔ４Ｇｐａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｎｔｕｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮｅｗＳｅｒｉｅｓ），２０１３，２０（５）：１０１－１０５．［１６］胡智向，吴玉喜，顾书林，等．外压调制下ＺｎＯ晶体结构与光学性质变化特性的研究［Ｊ］．量子电子学报，材料科学与工艺，２０１０，２７（５）：６１３－６１９．［１７］宫莹，宗影影，候智敏，等．热变形参数对ＴＣ２１钛合金微观组织的影响［Ｊ］．２０１３，２１（５）：１１３－１１６．［１８］闫万珺，张春红，桂放，等．应力作用下β－ＦｅＳｉ２的电子结构及光学性质［Ｊ］．光学学报，２０１３，３３（７）：０７１６００１－０７１６００８．［１９］ＳＥＧＡＬＬＭＤ，ＬＩＮＤＡＮＰＪＤ，ＰＲＯＢＥＲＴＭＪ，ｅｔａｌ．⁃Ｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｉｄｅａｓ，ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅＣＡＳＴＥＰｃｏｄｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，２００２，１４（１１）：２７１７－２７４４．（编辑张积宾）·７１１·第３期岑伟富，等：（００１）应变对正交相Ｃａ２Ｐ０．２５Ｓｉ０．７５能带结构及光学性质的影响