刘 鹏，李 炜 ，马娟娟

(华南师范大学物理与电信工程学院，量子信息技术实验室，广州510006)

自20 世纪50年代以来，铅硫族化合物PbX(X=S、Se、Te)及其合金已经被广泛地研究，特别是PbTe 作为热电材料［1］. 相比Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ族闪锌矿型半导体，这些窄隙Ⅳ-Ⅵ族半导体具有特殊的电子和结构性质，具有广泛应用前景［2］. 位于Pb价带较高能级的s 电子与阴离子p 电子之间的相互作用决定了其具有独特的电子性质［2］，PbS、PbSe和PbSb 等铅硫族化合物被广泛研究［3-6］.研究方法除了实验研究(如PbS［7-9］)还有理论计算(如掺杂多种杂质PbSe［10］和PbTe［1］等).铅硫族化合物除了其在热电材料领域的应用以外，被广泛应用于红外二极管［11］、光电子［12］和基于PbSe/PbEuTe的红外量子点激光器［13］等.目前，相对于PbSe 和PbTe，掺杂PbS 材料关于电子和光学性质方面的研究较少. 基于密度泛函理论和广义梯度近似，本文采用第一性原理计算研究了多种杂质(Cd、Sn、Sb)掺杂的岩盐结构PbS 的电子性质.

1 计算方法与模型

1.1 计算方法

基于密度泛函理论，结合广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)交换关联中的PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)形式，采用Castep(Cambridge serial total energy package)程序［14-15］进行第一性原理能带结构的计算. 电子波函数采用平面波基组展开，其截止能设为400 eV，迭代过程中收敛精度设为1.0 ×10-6eV/atom，而且原子间的相互作用收敛标准为0.1 eV/nm. 晶体结构采用BFGS (Broyden Fletcher Goldfarb Shanno)算法进行几何优化;计算采用的掺杂体系是64 原子总数的2 ×2 ×2 岩盐结构PbS 立方超胞，原晶胞尺寸为:a =b =c =0.593 4 nm，晶胞角度均为90°，用2个掺杂原子替换超胞中的Pb 原子. 在布里渊区的积分计算使用Monkhorst-Pack 方案［16］，选择k 网格点为4 ×4 ×4，选取倒易空间和超软赝势参与计算电子……