H摻雜Ga2O3的缺陷計(jì)算（熱力學(xué)穩(wěn)定性和元素化學(xué)勢(shì)計(jì)算TSC）

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 5.3.2-5.3.2.2 的內(nèi)容。

5.3.2. 熱力學(xué)穩(wěn)定性和元素化學(xué)勢(shì)計(jì)算TSC

5.3.2.1. 運(yùn)行TSC模塊

在上一步使用命令dasp 1執(zhí)行PREPARE模塊時(shí)，會(huì)生成doping-Ga2O3/dec目錄，并在該目錄中產(chǎn)生1prepare.out文件。等待程序執(zhí)行完畢，1prepare.out有相應(yīng)的完成標(biāo)志。進(jìn)入doping-Ga2O3/dec目錄。確認(rèn)INCAR-relax，INCAR-static文件中的參數(shù)是可行的。（用戶(hù)可修改INCAR，DASP將根據(jù)此目錄中的INCAR做后續(xù)的計(jì)算）

確認(rèn)PREPARE模塊完成后，回到doping-Ga2O3目錄，使用命令dasp 2執(zhí)行TSC模塊。同樣地，TSC模塊會(huì)在doping-Ga2O3目錄中生成名為tsc的目錄，里面記錄了TSC程序的計(jì)算輸出，包括各計(jì)算目錄以及運(yùn)行日志文件2tsc.out。等待程序完成期間無(wú)需額外操作。

5.3.2.2. TSC模塊運(yùn)行流程

host結(jié)構(gòu)的總能計(jì)算（與MP參數(shù)保持一致）：

TSC模塊將使用與MaterialsProject數(shù)據(jù)庫(kù)完全一致的輸入?yún)?shù)（INCAR，KPOINTS，POTCAR）來(lái)對(duì)用戶(hù)給定的原胞做結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靜態(tài)計(jì)算。因此，該計(jì)算得到的總能與MP數(shù)據(jù)庫(kù)的總能是可比的。此步驟是為了得到影響Ga2O3穩(wěn)定性的關(guān)鍵雜相。通過(guò)目錄可以看到：

從doping-Ga2O3/tsc/2tsc.out中也可以看到程序的運(yùn)行日志，即產(chǎn)生輸入文件、relaxation1、relaxation2、static、數(shù)據(jù)提取等步驟。

關(guān)鍵雜相判斷：

TSC模塊將搜尋MP數(shù)據(jù)庫(kù)上所有與Ga2O3相競(jìng)爭(zhēng)的雜項(xiàng)，通過(guò)DFT計(jì)算的Ga2O3的總能與MP數(shù)據(jù)庫(kù)中雜相的總能，判斷出Ga2O3是穩(wěn)定的。

隨后，程序?qū)⒆詣?dòng)下載影響摻雜H的Ga2O3穩(wěn)定性最關(guān)鍵的雜相，本例中為H和GaHO2。在2tsc.out中可看到相關(guān)的信息：

host與雜相結(jié)構(gòu)的總能計(jì)算（PREPARE模塊確定的參數(shù)）：

在確定關(guān)鍵雜相后，TSC模塊將使用PREPARE模塊確定的參數(shù)（AEXX）計(jì)算Ga2O3，GaHO2，H2的總能。2tsc.out如下：

化學(xué)勢(shì)的計(jì)算：

根據(jù)DFT計(jì)算的總能，計(jì)算摻雜H的Ga2O3的形成能和化學(xué)勢(shì)穩(wěn)定區(qū)間。由于Ga2O3是二元的，TSC模塊給出2個(gè)化學(xué)勢(shì)的端點(diǎn)值，即Ga-rich和O-rich，寫(xiě)入dasp.in:

在2tsc.out可以看到程序執(zhí)行完畢的輸出：

對(duì)于三元以上的體系，TSC模塊將輸出穩(wěn)定區(qū)域圖像，及穩(wěn)定區(qū)域各端點(diǎn)處的化學(xué)勢(shì)。

審核編輯 ：李倩