含Se空位Sb2Se3的第一性原理研究 邰湾湾 靳彬彬 李祺 周雨迪 陈寒光 马蕾摘 要 本文基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势方法，对Sb2Se3材料的光电特性进行理论分析计算结果表明，Se空位的存在使得材料的禁带宽度变窄，并在禁带中引入新的能级随着Se空位数量的增加，禁带宽度不断减小，材料禁带中的新能及数目逐渐变多，总态密度曲线整体有向低能端移动的趋势，最终导致含Se空位的Sb2Se3材料吸收光谱红移，透射率呈下降趋势关键词 第一性原理 Sb2Se3材料 光电性能0引言Sb2Se3以硒锑矿形式存在于自然界中，密度5.84 g/cm3，属正交晶系，晶格常数为a=1.163 nm，b=1.178 nm，c=0.399 nm近年来，Sb2Se3的材料研究发展迅速，显出巨大潜力在薄膜制备方面，2000年，Bhosale等人利用热喷涂技术生产Sb2Se3薄膜，并研究了Se源对Sb2Se3薄膜形貌及光學性能的影响在理论计算方面，2013年，Carey J J等人利用密度泛函理论对锑硫族化物系列的电子结构进行了表征2018年，邱霞等人采用HSE06杂化泛函方法，研究了掺杂2.5%、5%、10%和15%S元素的Sb2Se3材料的电子结构及光电性能，并将其与本征材料进行对比，探究影响机理。
1模型构建与计算方法计算采用超晶胞模型，对于本征Sb2Se3使用（2？？）的超晶胞模型;对于含有不同Se空位浓度的Sb2Se3，采用删除标记原子的方法，即依次删除被标记的一个、两个、三个和四个Se原子我们采用基于DFT的第一性原理计算方法CASTEP模块上述5种体系进行分组计算，采用超软赝势的方法描述电子实和价电子的相互作用，采用广义梯度近似（GGA）下的PBE函数方案处理电子之间的交换关联能参与计算的和Se原子的价电子构成分别为4s24p2和5s25p3在优化过程中，截断能设置为360eV，布里渊区采用Monkhorst-Pack形式的4？？的k点，能量收敛于2x106eV/atom收敛精度如下：每个原子的平均能量为1.0x10-5 eV，最大作用力为0.5eV/nm，最大应力为0.1GPa，原子最大位移为1.0x10-4 nm，在此基础上计算材料的光电特性2结果与讨论2.1电学特性图1给出了本征Sb2Se3的能带结构和态密度的计算结果，由图可知，Sb2Se3是直接带隙半导体，该材料禁带的禁带宽度为0.920eV，小于实验值1.28eV，这是因为广义梯度近似方法自身存在的缺点，但是本项目只研究相对变化，并不影响对问题的定性讨论。
此外，电子能量集中分布在-6至3eV这个阶段，从分波态密度图中可以看出，Sb2Se3的价带区域主要由Se 4p轨道和Sb 5p轨道杂化形成导带部分主要是于Se 4p电子轨道贡献的以Sb32Se44为例，与本征对比进行讨论分析，能带结构如图2所示，随着Se空位浓度的增加，禁带宽度逐渐减小，并且微量的空位浓度就可在禁带中引入了新的能级2.2光学特性由电子能带结构决定的5种体系的吸收系数图谱分别如图3所示由图可知，五种体系的吸收系数均在104cm-1以上，吸收系数较大，吸光范围较广，有希望成为高效率的光催化活性材料其次，五种体系的吸收光谱图走势大致相同，并且随着Se空位数量的增加，材料的吸收光谱出现了略微的红移现象此外，随着光子波长的增加，Sb2Se3仍具有吸收光子的能力，但Sb2Se3的吸收系数逐渐减小并趋于稳定状态，这与能带结构中的禁带宽度变窄保持一致3结论采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波平面波超软赝势方法，从理论计算的角度对含Se空位的Sb2Se3材料的光电特性进行了研究理论计算结果表明：（1）本征的Sb2Se3材料具有优异的光电特性该材料禁带宽度较窄，吸光系数较高，吸光范围较广，有希望成为优良的光催化活性材料。
2）Se空位的存在使得材料的禁带宽度变窄，并在禁带中引入新的能级随着Se空位数量的增加，材料禁带中的新能及数目变多，吸收光谱有略微的红移现象，透射率则呈下降趋势 -全文完-。