Cu、Ni掺杂FeS2电子结构与光学性质的第一性原理计算.pdfVIP

第27 卷第3 期 中国有色金属学报 2017 年3 月 Volume 27 Number 3 The Chinese Journal of Nonferrous Metals March 2017 DOI ：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.019 Cu 、Ni 掺杂FeS2 电子结构与 光学性质的第一性原理计算 武佳佳，马万坤，焦 芬，覃文庆 ( 中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 410083) 摘 要：采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势法，研究Cu、Ni 单掺杂与共掺杂体系中FeS2 的晶体结构、电子结构和光学性质。结果表明：掺杂后黄铁矿发生晶格畸变，晶格常数变大，掺杂在FeS2 禁带中 引入杂质能级，使禁带变窄，费米能级上移进入导带，掺杂黄铁矿的态密度穿过费米能级，形成简并半导体，体 系的导电率增强。光学性质计算表明：掺杂后介电函数虚部主峰、吸收系数和光电导率均出现红移、峰值减小。 共掺杂后的光跃迁强度明显增强，可见光区范围内的光吸收系数和光电导率均增大，说明Cu-Ni 共掺杂显著增强 FeS2 对光的吸收以及光电转换效率。 关键词：Cu-Ni 掺杂；FeS2 ；光学性质；第一性原理计算 文章编号：1004-0609(2017)-03-0605-08 中图分类号：O474 文献标志码：A 随着能源需求的激增和环境污染的加剧，长期以 响其光电导的敏感性。龙飞等[19]研究Ni 掺杂FeS2 的 来，太阳能电池备受关注并发展迅速。但是发展至今， 可见光催化活性，发现Ni 掺杂有利于提高Fe Ni S 1−y y 2 其年产量与世界能源需求量相比还相差甚远，制约其 的可见光催化活性，当Ni 的掺入量y 为0.125 时，其 发展的关键问题是高昂的制造成本[1−3] 。金属硫化物因 光催化活性最好。尽管对黄铁矿光电性能、Ni 掺杂[20] 其半导体属性在太阳能电池、热电材料以及存储装置 的研究已有报道，但用第一性原理研究 Cu、Ni 共掺 等领域显示出了广阔的应用前景，因而得到了广泛 杂对黄铁矿电子结构及光学性质的影响尚未见报道。 关注。 本文作者以FeS2 超晶胞作为基体，以Cu、Ni 为 黄铁矿(FeS2)是地壳中最常见的硫化矿，组成元 掺杂原子，采用基于密度泛函理论的第一性原理平面 素无毒且地球储量丰富。立方晶系黄铁矿具有优异的 波超软赝势法，对不同浓度Cu、Ni 掺杂FeS2 前后的 半导体特性[4−5] ，并且其环境相容性好，制备成本低廉， 能带、电子态密度和光学性质进行了对比和研究，初 是一种较有研究价值的新型太阳能电池材料[6− 10] 。已 步揭示了通过Cu、Ni 单掺杂及共掺杂改变FeS2 光电 有研究[11]表明：采用人工合成方法制备出FeS2 薄膜， 性质的内在原因，为开发FeS2 基光伏材料的实验工作 尽管其易于氧化降解，但仍表现出良好的光电性能。 提供了理论参考。 掺杂是调制材料的电子结构并改变其光电性能的 常用手段，对光电材料掺杂改性的理论研究具有重大 1 理论模型和计算方法 意义[12] 。对于黄铁矿来说，天然黄铁矿物中存在不同 类型的杂质和含量，李玉琼等[13− 16]的研究结果表明， 钴、镍、砷的掺杂均使得黄铁矿的吸收带边发生明显 半导体化合物 FeS2 属于等轴晶系，其空