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镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究
引言：
硅纳米线因其在微电子器件中的优异性能和潜在应用价值，被广泛关注和研究。为了进一步提高其性能，在硅纳米线中引入掺杂元素成为了研究热点之一。其中，镍掺杂硅纳米线具有优异的电子和光学性质，被认为在光电子器件和生物医学领域有很大应用前景。本文采用第一性原理方法研究了镍在硅纳米线中的掺杂效应，探究镍掺杂硅纳米线的电子结构和光学性质。
方法：
本研究采用CASTEP软件，采用基于密度泛函理论（DFT）的局域密度近似(LDA)，利用平面波激发波的方法，使用赝势(Si.pbe-rrkjus.UPF,Ni.pbe-n-kjpaw.UPF)对模型进行计算。计算模型采用超胞的方法构建，在初始模型中将含有17个Si原子和两个Ni原子的约3.44nm直径的硅纳米线中，取其中一个Ni原子进行掺杂，得到约3.32nm的模型。
结果：
在考虑Ni掺杂后，我们依次计算了硅纳米线的几何结构、电子结构和光学性质，并将其与未掺杂的硅纳米线作比较。
(1)几何结构：
分析计算结果得知，掺杂后硅纳米线的几何结构略有改变，由于Ni原子的掺杂，硅纳米线的直径由未掺杂前的约3.44nm减小到约3.32nm，这是因为Ni原子的半径比Si原子大。
(2)电子结构：
电子结构是描述材料性质的重要因素。我们比较了掺杂前后硅纳米线的能带结构和态密度，发现Ni掺杂对硅纳米线的能带结构造成了显著的影响。掺杂后，Ni原子引起了分立的Ni能带和Si能带之间的交叠，导致Si能带向低能量方向移动，同时也使得Si电子能带的带隙减小。此外，Ni掺杂还可以有效地引起硅纳米线内电子的局域化，增加其夹杂状态，从而提高硅纳米线的导电性。
(3)光学性质：
我们发现，掺杂后的硅纳米线的光学特性发生了明显的改变。在紫外光谱的范围内，Ni掺杂导致硅纳米线的主要吸收峰向低能量方向偏移，同时增加了吸收强度。这说明Ni掺杂可以显著改善硅纳米线的光学响应，并在光电子器件和生物医学应用中具有广泛前景。
讨论：
我们对镍掺杂硅纳米线的电子结构和光学性质进行了系统研究，并得出了一些重要结论，这对于理解和优化硅纳米线的性能有着重要意义。
首先，我们得出了Ni掺杂可以有效地引起硅纳米线内电子的局域化，增加其夹杂状态，从而提高硅纳米线的导电性。这对于开发高性能硅基微电子器件具有重要的意义。
其次，我们发现镍掺杂导致硅纳米线的主要吸收峰向低能量方向偏移，同时增加了吸收强度。这说明Ni掺杂可以显著改善硅纳米线的光学响应。因此，这种材料在开发光电子器件和生物医学应用中具有广泛的前景。
结论：
我们采用第一性原理方法研究了镍掺杂硅纳米线的电子结构和光学性质。计算结果表明，Ni掺杂对硅纳米线的能带结构和光学特性造成了显著影响。Ni掺杂可以有效地引起硅纳米线内电子的局域化，增加其夹杂状态，从而提高硅纳米线的导电性。此外，Ni掺杂还可以显著改善硅纳米线的光学响应，并且具有广泛应用前景。