DASP HfO2的本征缺陷計(jì)算（缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級(jí)計(jì)算DEC）

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 HfO2的本征缺陷計(jì)算 5.2.3-5.2.3.2 的內(nèi)容。

5.2.3. 缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級(jí)計(jì)算DEC

5.2.3.1. 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HfO2/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HfO2/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HfO2目錄，使用命令dasp 3執(zhí)行DEC模塊。DEC模塊會(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需額外操作。

5.2.3.2. 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HfO2的本征缺陷，即生成HfO2/dec/Intrinsic_Defect計(jì)算目錄，在其下面分別有空位缺陷V_Hf，V_O，反位缺陷Hf_O，O_Hf，間隙位缺陷Hf_i，O_i的缺陷結(jié)構(gòu)和目錄。根據(jù)對(duì)稱性判斷，HfO2晶格中不存在非等價(jià)的Hf原子，但存在兩種不等價(jià)的O原子，因此V_O，Hf_O缺陷構(gòu)型各有兩種，V_Hf，O_Hf缺陷構(gòu)型僅有一種，Hf_i，O_i的缺陷構(gòu)型數(shù)量由用戶輸入?yún)?shù)決定。

將部分缺陷的晶體結(jié)構(gòu)拖入晶體可視化軟件，如下圖所示。

DASP產(chǎn)生的HfO2的部分缺陷結(jié)構(gòu)

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l(wèi)evel = 2的參數(shù)），此步驟等待時(shí)間較長(zhǎng)?？呻S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Hf_O1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)算無法完成。但是程序并不會(huì)中斷，而是繼續(xù)完成除了Hf_O1之外的所有計(jì)算。因此，用戶此時(shí)無需做額外操作，等待程序執(zhí)行完畢即可。（Hf_O1缺陷的問題將在程序執(zhí)行完畢后解決）遇到VASP計(jì)算出錯(cuò)的各類情況，請(qǐng)參考常見問題。

產(chǎn)生帶電缺陷的計(jì)算目錄：

等待所有（除Hf_O1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：

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l(wèi)evel = 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Hf_O1和能量較高的間隙缺陷）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)。由于之前計(jì)算錯(cuò)誤（undo，failed，not converged）或者不進(jìn)行后續(xù)計(jì)算（skip）的缺陷的報(bào)錯(cuò)信息，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，但是通過輸出我們發(fā)現(xiàn)Hf_O1缺陷并沒有被計(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/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/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，在里面寫入/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0。

3. 回到Hf_O1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)Hf_O1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模塊利用所有修正過后的HfO2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：

HfO2在p1處（Hf-rich）的缺陷形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化

HfO2在p2處（O-rich）的缺陷形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化

同時(shí)也會(huì)輸出各缺陷轉(zhuǎn)變能級(jí)的圖像。如下圖所示：

HfO2各缺陷的轉(zhuǎn)變能級(jí)

審核編輯 ：李倩