DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半导体缺陷和杂质性质的第一性原理计算模拟软件包,该软件包能针对输入的半导体晶体结构,基于材料基因组数据库和第一性原理软件包,自动计算并输出半导体的热力学稳定性,缺陷和杂质形成能及离化能级,半导体样品中缺陷、杂质和载流子浓度及费米能级,关键缺陷和杂质诱导的光致发光谱、载流子辐射和非辐射俘获截面及少子寿命。
针对任一半导体,DASP软件可以计算给出如下性质:热力学稳定性、元素化学势空间的稳定范围、缺陷(含杂质,下同)形成能、缺陷转变能级、各生长条件下的费米能级、载流子和缺陷浓度、缺陷的光致发光谱、缺陷对载流子的俘获截面、辐射和非辐射复合速率等。
本期将给大家介绍DASP HfO2的本征缺陷计算 5.2.3-5.2.3.2 的内容。
5.2.3. 缺陷形成能和转变能级计算DEC
5.2.3.1. 运行DEC模块
在上一步使用命令dasp 2执行TSC模块时,会生成HfO2/tsc目录,并在该目录中产生2tsc.out文件。等待程序执行完毕,2tsc.out有相应的完成标志。打开HfO2/dasp.in,确认化学势已被程序自动输入。
确认TSC模块完成后,回到HfO2目录,使用命令dasp 3执行DEC模块。DEC模块会在第一步已经生成的dec目录中继续输出相关文件,包括缺陷结构,缺陷目录,以及运行日志文件3dec.out。等待程序完成期间无需额外操作。
5.2.3.2. DEC模块运行流程
产生缺陷结构:
根据dasp.in中的参数intrinsic = T,DEC模块将产生HfO2的本征缺陷,即生成HfO2/dec/Intrinsic_Defect计算目录,在其下面分别有空位缺陷V_Hf,V_O,反位缺陷Hf_O,O_Hf,间隙位缺陷Hf_i,O_i的缺陷结构和目录。根据对称性判断,HfO2晶格中不存在非等价的Hf原子,但存在两种不等价的O原子,因此V_O,Hf_O缺陷构型各有两种,V_Hf,O_Hf缺陷构型仅有一种,Hf_i,O_i的缺陷构型数量由用户输入参数决定。
将部分缺陷的晶体结构拖入晶体可视化软件,如下图所示。
DASP产生的HfO2的部分缺陷结构
同时,可在3dec.out看到DEC模块的输出如下:
可以看到,DEC模块目前只产生了所有缺陷电中性(q=0)的计算目录。
提交各缺陷q=0计算任务:
待中性缺陷的结构及其目录产生完毕后,DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算(对应于dasp.in中level = 2的参数),此步骤等待时间较长。可随时检查3dec.out文件。3dec.out中的相关信息如下所示:
可以看到Hf_O1的电中性结构优化计算出现了某些错误,导致计算无法完成。但是程序并不会中断,而是继续完成除了Hf_O1之外的所有计算。因此,用户此时无需做额外操作,等待程序执行完毕即可。(Hf_O1缺陷的问题将在程序执行完毕后解决)遇到VASP计算出错的各类情况,请参考常见问题。
产生带电缺陷的计算目录:
等待所有(除Hf_O1和能量较高的间隙缺陷)电中性的计算完成之后,程序将根据中性缺陷的计算结果,判断各缺陷的价态范围,从而生成各带电缺陷的目录及文件,对于计算错误(undo,failed,not converged)或者不进行后续计算(skip)的缺陷,会进行提示。3dec.out中的相关信息如下所示:
提交各缺陷q≠0的计算任务:
待带电缺陷的结构及其目录产生完毕后,DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算(对应于dasp.in中level = 2的参数),此步骤的等待时间比3.2.2的更长。3dec.out中的相关信息如下所示:
计算带电缺陷的修正:
所有的带电缺陷(除Hf_O1和能量较高的间隙缺陷)的计算完成后,DEC模块将计算FNV修正(根据dasp.in中correction = FNV的参数),并计算其缺陷形成能和转变能级。由于之前计算错误(undo,failed,not converged)或者不进行后续计算(skip)的缺陷的报错信息,每个缺陷各价态的修正量和形成能的具体数值,都记录在3dec.out中:
所有的形成能和转变能级的数据,也都记录在各缺陷目录下的defect.log文件中。
输出形成能图像:
此时程序已经全部执行完毕,但是通过输出我们发现Hf_O1缺陷并没有被计算。解决方法如下:
1. 根据VASP的报错信息,适当调整/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0 目录中的INCAR参数。
2. 回到dec目录,新建一个名为redo.in的文件,在里面写入/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0。
3. 回到Hf_O1目录,再次使用命令dasp 3执行DEC模块。程序会自动判断已经完成的计算,并根据redo.in重新计算该缺陷。
4. DEC模块会单独针对Hf_O1缺陷做中性和带电缺陷的计算,并计算它的形成能。
最后,DEC模块利用所有修正过后的HfO2在两个化学势处的缺陷形成能,自动输出缺陷形成能 v.s. 费米能级的图像。如下图所示:
HfO2在p1处(Hf-rich)的缺陷形成能随费米能级的变化
HfO2在p2处(O-rich)的缺陷形成能随费米能级的变化
同时也会输出各缺陷转变能级的图像。如下图所示:
HfO2各缺陷的转变能级
审核编辑 :李倩
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原文标题:产品教程丨DASP HfO2的本征缺陷计算(缺陷形成能和转变能级计算DEC)
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