一文解析DASP CdTe的本征缺陷計(jì)算

·DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半導(dǎo)體缺陷和雜質(zhì)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算模擬軟件包，該軟件包能針對(duì)輸入的半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)，基于材料基因組數(shù)據(jù)庫(kù)和第一性原理軟件包，自動(dòng)計(jì)算并輸出半導(dǎo)體的熱力學(xué)穩(wěn)定性，缺陷和雜質(zhì)形成能及離化能級(jí)，半導(dǎo)體樣品中缺陷、雜質(zhì)和載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)，關(guān)鍵缺陷和雜質(zhì)誘導(dǎo)的光致發(fā)光譜、載流子輻射和非輻射俘獲截面及少子壽命。

針對(duì)任一半導(dǎo)體，DASP軟件可以計(jì)算給出如下性質(zhì)：熱力學(xué)穩(wěn)定性、元素化學(xué)勢(shì)空間的穩(wěn)定范圍、缺陷（含雜質(zhì)，下同）形成能、缺陷轉(zhuǎn)變能級(jí)、各生長(zhǎng)條件下的費(fèi)米能級(jí)、載流子和缺陷濃度、缺陷的光致發(fā)光譜、缺陷對(duì)載流子的俘獲截面、輻射和非輻射復(fù)合速率等。

本期將給大家介紹DASP CdTe的本征缺陷計(jì)算 5.1.3-5.1.3.2 的內(nèi)容。

5.1.3. 缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級(jí)計(jì)算DEC

5.1.3.1. 運(yùn)行DEC模塊

在上一步使用命令?dasp?2?執(zhí)行TSC模塊時(shí)，會(huì)生成CdTe/tsc目錄，并在該目錄中產(chǎn)生?2tsc.out?文件。等待程序執(zhí)行完畢，?2tsc.out?有相應(yīng)的完成標(biāo)志。打開(kāi)CdTe/dasp.in，確認(rèn)化學(xué)勢(shì)已被程序自動(dòng)輸入。

確認(rèn)TSC模塊完成后，回到CdTe目錄，使用命令?dasp?3?執(zhí)行DEC模塊。DEC會(huì)在第一步已經(jīng)生成的dec目錄中繼續(xù)輸出相關(guān)文件，包括缺陷結(jié)構(gòu)，缺陷目錄，以及運(yùn)行日志文件?3dec.out?。等待程序完成期間無(wú)需額外操作。

5.1.3.2. DEC模塊運(yùn)行流程

產(chǎn)生缺陷結(jié)構(gòu)：

根據(jù)?dasp.in?中的參數(shù)intrinsic = T，DEC模塊將產(chǎn)生CdTe的本征缺陷，即生成CdTe/dec/Intrinsic_Defect計(jì)算目錄，在其下面分別有空位缺陷V_Cd，V_Te，反位缺陷Cd_Te，Te_Cd，間隙位缺陷Cd_i，Te_i的缺陷結(jié)構(gòu)和目錄。根據(jù)對(duì)稱性判斷，CdTe晶格中不存在非等價(jià)的Cd和Te原子，因此同樣的缺陷構(gòu)型只需產(chǎn)生一種。

同時(shí)，可在?3dec.out?看到DEC模塊的輸出如下：

可以看到，DEC模塊目前只產(chǎn)生了所有缺陷電中性（q=0）的計(jì)算目錄。

提交各缺陷q=0計(jì)算任務(wù)：

待中性缺陷的結(jié)構(gòu)及其目錄產(chǎn)生完畢后，DEC模塊將調(diào)用VASP對(duì)其進(jìn)行PBE優(yōu)化和HSE總能的計(jì)算（對(duì)應(yīng)于?dasp.in?中?level = 2?的參數(shù)），此步驟等待時(shí)間較長(zhǎng)。可隨時(shí)檢查?3dec.out?文件。?3dec.out?中的相關(guān)信息如下所示：

可以看到Cd_Te1的電中性結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算出現(xiàn)了某些錯(cuò)誤，導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法完成。但是程序并不會(huì)中斷，而是繼續(xù)完成除了Cd_Te之外的所有計(jì)算。因此，用戶此時(shí)無(wú)需做額外操作，等待程序執(zhí)行完畢即可。（Cd_Te缺陷的問(wèn)題將在程序執(zhí)行完畢后解決）遇到VASP計(jì)算出錯(cuò)的各類情況，請(qǐng)參考?常見(jiàn)問(wèn)題?。

產(chǎn)生帶電缺陷的計(jì)算目錄：

等待所有（除Cd_Te和能量較高的間隙缺陷）電中性的計(jì)算完成之后，程序?qū)⒏鶕?jù)中性缺陷的計(jì)算結(jié)果，判斷各缺陷的價(jià)態(tài)范圍，從而生成各帶電缺陷的目錄及文件，對(duì)于計(jì)算錯(cuò)誤（undo，failed，not converged）或者不進(jìn)行后續(xù)計(jì)算（skip）的缺陷，會(huì)進(jìn)行提示。?3dec.out?中的相關(guān)信息如下所示：

將部分缺陷結(jié)構(gòu)拖入可視化軟件中，如下圖所示：

CdTe的部分缺陷結(jié)構(gòu)

提交各缺陷q≠0的計(jì)算任務(wù)：

待帶電缺陷的結(jié)構(gòu)及其目錄產(chǎn)生完畢后，DEC模塊將調(diào)用VASP對(duì)其進(jìn)行PBE優(yōu)化和HSE總能的計(jì)算（對(duì)應(yīng)于?dasp.in?中?level = 2?的參數(shù)），此步驟的等待時(shí)間比3.2.2的更長(zhǎng)。?3dec.out?中的相關(guān)信息如下所示：

計(jì)算帶電缺陷的修正：

所有的帶電缺陷（除Cd_Te）的計(jì)算完成后，DEC模塊將計(jì)算FNV修正（根據(jù)?dasp.in?中?correction = FNV?的參數(shù)），并計(jì)算其缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級(jí)。每個(gè)缺陷各價(jià)態(tài)的修正量和形成能的具體數(shù)值，都記錄在?3dec.out?中：

所有的形成能和轉(zhuǎn)變能級(jí)的數(shù)據(jù)，也都記錄在各缺陷目錄下的?defect.log?文件中。

輸出形成能圖像：

此時(shí)程序已經(jīng)全部執(zhí)行完畢，但是通過(guò)輸出我們發(fā)現(xiàn)Cd_Te缺陷并沒(méi)有被計(jì)算。解決方法如下：

1. 根據(jù)VASP的報(bào)錯(cuò)信息，適當(dāng)調(diào)整/home/test/CdTe/dec/Intrinsic_Defect/Cd_Te1/initial_structure/q0 目錄中的INCAR參數(shù)。

2. 回到dec目錄，新建一個(gè)名為?redo.in?的文件，在里面寫(xiě)入/home/test/CdTe/dec/Intrinsic_Defect/Cd_Te1/initial_structure/q0。

3. 回到CdTe目錄，再次使用命令?dasp?3?執(zhí)行DEC模塊。程序會(huì)自動(dòng)判斷已經(jīng)完成的計(jì)算，并根據(jù)?redo.in?重新計(jì)算該缺陷。

4. DEC模塊會(huì)單獨(dú)針對(duì)Cd_Te缺陷做中性和帶電缺陷的計(jì)算，并計(jì)算它的形成能。

最后，DEC利用所有修正過(guò)后的CdTe在兩個(gè)化學(xué)勢(shì)處的缺陷形成能，自動(dòng)輸出缺陷形成能 v.s. 費(fèi)米能級(jí)的圖像。如下圖所示：

CdTe在（a）富Cd和（b）富Te時(shí)的缺陷形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化

CdTe的缺陷轉(zhuǎn)變能級(jí)

編輯：黃飛