黄铁矿FeS2电子结构与力学性能的密度泛函研究 材料科学与工程专业VIP专享VIP免费

黄铁矿FeS2电子结构与力学性能的密度泛函研究【摘要】使用第一性原理的MaterialStudio(MS)软件中的CASTEP模块，本文对黄铁矿FeS2原子位置和晶胞结构做了全弛豫，在弛豫后的晶胞结构基础上计算了黄铁矿FeS2的态密度，能带结构，电荷密度图，弹性系数以及声子谱。研究结果与已有的理论预测和实验研究结果符合得很好，该研究为促进黄铁矿FeS2的应用辅以有力的理论数据。【关键词】黄铁矿二硫化铁第一性原理电子结构力学性能引言在自然界FeS2主要以白铁矿和黄铁矿两种矿物的形式存在，其中黄铁矿是分布最为广泛的硫化物矿物，在各类岩石中均含量丰富。工业上用黄铁矿提取硫，制造硫酸。同时，黄铁矿FeS2材料作为一种新型的制作薄膜太阳能电池材料，近几年越来越受到人们的广泛的关注[1]。FeS2具有合适的禁带宽度（Eg≈0.95eV）和很高的光吸收系数（当λ≤1μm时，α≥105cm-1），黄铁矿FeS2因其组成元素丰富，无毒，且具有合成工艺简单，易行的优势，使得黄铁矿FeS2有利于应用在制备超薄太阳能电池片，降低太阳能电池生产中的消耗[2]。应用于太阳能电池片的材料需要有较大的光吸收系数，不同的材料对光的吸收系数不一样，常见的太阳能电池材料的吸收系数如表1所示。表1几种常用于太阳能电池的材料的吸收系数材料FeS2CuInSe2GaAsCdTeα-Sic-Siα/cm-15*1053*1046*1035*1035*1033*101在上面这些材料中，黄铁矿FeS2的光吸收系数是最大的。因此在制作FeS2薄膜太阳能电池时，所需的原料很少[3]。本文从电子层次上研究黄铁矿FeS2结构，对其电子结构及力学性能进行分析从而得出提高材料性能的理论依据，密度泛函理论（DFT）的第一性原理是量化计算材料电子结构及其性能的工具，在材料的设计、合成、性能应用、微结构模拟及催化吸附等方面愈来愈重要。因此，本文就利用第一性原理计算了黄铁矿FeS2电子结构，电荷密度，分析了声子谱，热力学稳定性能。1二硫化铁结构的电子结构弛豫1.1基本性质与晶体结构常见铁的二硫化物有两种，分别是黄铁矿和白铁矿。黄铁矿（FeS2）因其表面具有浅黄铜色和明亮的金属光泽，常常被人们误认为是黄金，故又被称为是“愚人金”。与黄铁矿成分相同而晶体属于正交（斜方）晶系的称为白铁矿。成分中还存在有微量的钴、镍、铜、金、硒等元素。在提取硫的过程中，当这些微量元素含量较高时可综合利用和再次回收。黄铁矿在氧化带非常的不稳定，容易分解形成氢氧化铁如针铁矿等，再经过脱水作用，就会形成稳定的褐铁矿，而且往往把其认为是黄铁矿，造成这样的假象。这种现象常在金属矿床氧化带的地表露头部分形成褐铁矿或针铁矿、纤铁矿等覆盖在矿体的表面，故称铁帽。黄铁矿主要化学成分是FeS2，在整个晶体结构中磁矩的排列是呈规则的自发排列，而且方向相反的磁矩是相互抵消的，总的磁矩就为零，因此具有反铁磁性。在室温下为非活性物质，当温度升高后化学性质变得活泼。FeS2晶体属典型的AB2型立方结构，成分中通常含钴、镍和硒等微量元素，具有NaCl型晶体结构。其中Na+被Fe2+所取代，Cl+被所取代（可以概括成是由Fe2+和分别构成的面心立方格子沿轴矢方向平移半个晶格常数套构而成），在FeS2晶胞中的哑铃型状的离子对具有不同或者相反的取向，使得晶胞的对称性从面心立方Fm3m空间群变成空间群Pa3。单位原胞中包含12个原子，根据面心立方晶胞矢量的特点：三条棱边相等，并互相垂直。晶格常数a=5.3702Å，其具体的晶胞结构如图1所示。图1黄铁矿二硫化铁的晶体结构（其中金色小球表示S原子，黄色小球表示Fe原子）1.2黄铁矿二硫化铁晶体的几何优化我们在对其性质进行计算分析之前，先以FeS2理论模型为基础进行几何优化，几何优化时使用初始的晶体结构模型，在从头算的方法上考虑了所有原子的全弛豫优化得到能量最低的状态下的晶体结构，几何优化时的主要收敛标准设置如下表2所示。表2CASTEP计算的相关收敛参数设置参数类型参数设置每个原子的最大受力5.0×10-6eV/atom最大内应力0.02GPa最大位移0.005Å平面波截断能330.0eVK空间网格6×6×6在原子位置全弛豫得到的几何结构上，使用第一性原理方法研究了黄铁矿FeS2的电子结构，其中包括电子态密度，电子能带机构，电荷密度分...