ⅳa族砷化物x3as4光学性质的第一性原理研究

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1、ⅣA族砷化物X3As4光学性质的第一性原理研究段国玉鹤壁职业技术学院基于第一性原理，对赝立方结构IV族砷化物X3As4（X=Si、Ge、Sn）的电子结构、光学性质进行了理论研究。结果表明：X3As4具有间接带隙型能带结构；Si3As4、Ge3As4、Sn3As4的间接带隙能分别为0.1eV，0.25eV，0.54eV。根据费米面附近的态密度分布，IVA族元素的np电子轨道与As的4p电子轨道发生杂化；X-As的结合具有很强的共价特性。在光学性质方面，计算了X3As4的光学常数、能量损失谱等。X3As4在可见光波长范围内有明显吸收，这与p电子在费米面附近的带间跃迁行为有关。关键词

2、：X3As4，赝立方结构，能带结构，电子态密度，光学性质1、引言ⅣA族氮化物X3N4（X＝C，Si，Ge，Sn）一直是研究工作的热点。关于X3N4结构、性质、应用等方面的研究工作已取得明显进展。C3N4是一种超硬材料，在摩擦磨损领域获得了实际应用。Si3N4具高电阻率，耐高温，机械性能好，光学性能优良等特性,被广泛应用于陶瓷切削加工工具，耐磨损轴承，绝缘材料，掩膜材料等[1-3]。大部分X3N4是绝缘材料[4]。近年来，ⅣA族磷化物X3P4（X＝C，Si，Ge，Sn）也引起了广泛关注。根据理论研究结果[5-8]，赝立方结构的X3P4最为稳定；并且在赝立方相X3P4中，除C3P4

3、具有金属材料特性以外，Si3P4、Ge3P4、Sn3P4均是窄带隙半导体材料。相对于IV族氮化物、IV族磷化物，关于IV族砷化物的研究仍比较少。Feng采用第一性原理的计算方法，研究了各种结构下X3As4的稳定性[9]。根据计算结果，Feng提出了赝立方结构（）的X3As4（如图1所示）是最为稳定的结构，其次是α相结构。在能带结构方面，赝立方相Si3As4、Ge3As4、Sn3As4具有间接带隙型半导体材料特性。本文在文献[9]的基础上，以密度泛函理论和广义梯度近似的第一性原理的计算方法[10-11]研究了赝立方相Si3As4、Ge3As4、Sn3As4结构和电子结构特性，并在

4、此基础上研究了X3As4的光学性质。图1赝立方结构X3As41、理论方法本文是采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)和平面波近似的赝势方法计算。对X3As4的研究中，电子的交换关联能采用广域梯度近似（GGA）的PBE形式[10-11]，各原子价电子排布情况分别为：X；As。平面波展开的截止能量为320.0eV。在自洽计算过程中，k空间取样点的网格化密度为9×9×9。能量计算精度达到5×10－6eV/atom。以BFGS（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shano）方法对X3As4进行结构优化。优化后的晶格结构参数a，c如表格1所示。在线性响应范围内，材料

5、的光学性质通常用复介电常数来表征，。与材料的带内跃迁、带间跃迁行为有关。带内跃迁主要对金属材料的光学性质有重要影响。X3As4是半导体材料；其光学性质主要取决于带间跃迁行为，由于间接带间跃迁需要声子的参与，对贡献很小。在不考虑带内跃迁、间接带间跃迁的近似情况下，虚部由下列公式计算得到：（1）其中V是原胞体积，m是电子质量，c，v分别表示导带、价带。实部和虚部之间存在Kramers-Kronig色散关系（K-K关系)。利用Kramers-Kronig色散关系计算：（2）其它光学参数均可通过1、结果分析3．1结构参数根据表格1，X3As4的晶格常数c、a随着X原子序数的增大而增大。

6、对于Si3As4、Ge3As4、Sn3As4，晶格常数c、a的比值（c/a）分别为：1.02、1.00、1.00；说明了赝立方相X3As4在结构上接近立方结构,其晶体的各向异性不是很明显。X-As键长d随着X原子半径的增大而依次增大。由于Si3As4的c、a的差别较大，在选取的原胞中存在有两种不同位置的Si原子，其与As成键的键长分别为2.35Å和2.42Å。与文献[9]相比，Si3As4的计算结果与文献[9]的结果有较大的差别，尤其是本文c/a的数值，其它两种材料的的晶格常数a、c比文献[9]计算的结果小3％左右。其原因在于以下两个方面是，其一是文献[9]采用的是交换关联势为

7、PW91，计算程序为VASP，另一方面的在于布里渊区的积分时k点的数目，文献[9]中采用的划分方式为8×8×8。因此本文的结果采用了最新的赝势和更密的积分方式。因此本文的结果更接近于真实的体系。但两者结果中c/a的数值非常接近。表格1赝立方结构X3As4结构参数以及与文献[9]的结果对比，括号内的数值取自文献[9]X3As4(Å)(Å)(Å)Si3As45.196(5.357)5.299(5.358)2.35，2．42(2.42)Ge3As45.342(5.499)5.342(5.518)2