DASP HfO2的本征缺陷計算（缺陷形成能和轉變能級計算DEC）

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半導體缺陷和雜質性質的第一性原理計算模擬軟件包，該軟件包能針對輸入的半導體晶體結構，基于材料基因組數據庫和第一性原理軟件包，自動計算并輸出半導體的熱力學穩(wěn)定性，缺陷和雜質形成能及離化能級，半導體樣品中缺陷、雜質和載流子濃度及費米能級，關鍵缺陷和雜質誘導的光致發(fā)光譜、載流子輻射和非輻射俘獲截面及少子壽命。

針對任一半導體，DASP軟件可以計算給出如下性質：熱力學穩(wěn)定性、元素化學勢空間的穩(wěn)定范圍、缺陷（含雜質，下同）形成能、缺陷轉變能級、各生長條件下的費米能級、載流子和缺陷濃度、缺陷的光致發(fā)光譜、缺陷對載流子的俘獲截面、輻射和非輻射復合速率等。

本期將給大家介紹DASP HfO2的本征缺陷計算 5.2.3-5.2.3.2 的內容。

5.2.3. 缺陷形成能和轉變能級計算DEC

5.2.3.1. 運行DEC模塊

在上一步使用命令dasp 2執(zhí)行TSC模塊時，會生成HfO2/tsc目錄，并在該目錄中產生2tsc.out文件。等待程序執(zhí)行完畢，2tsc.out有相應的完成標志。打開HfO2/dasp.in，確認化學勢已被程序自動輸入。

確認TSC模塊完成后，回到HfO2目錄，使用命令dasp 3執(zhí)行DEC模塊。DEC模塊會在第一步已經生成的dec目錄中繼續(xù)輸出相關文件，包括缺陷結構，缺陷目錄，以及運行日志文件3dec.out。等待程序完成期間無需額外操作。

5.2.3.2. DEC模塊運行流程

產生缺陷結構：

根據dasp.in中的參數intrinsic = T，DEC模塊將產生HfO2的本征缺陷，即生成HfO2/dec/Intrinsic_Defect計算目錄，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的缺陷結構和目錄。根據對稱性判斷，HfO2晶格中不存在非等價的Hf原子，但存在兩種不等價的O原子，因此V_O，Hf_O缺陷構型各有兩種，V_Hf，O_Hf缺陷構型僅有一種，Hf_i，O_i的缺陷構型數量由用戶輸入參數決定。

將部分缺陷的晶體結構拖入晶體可視化軟件，如下圖所示。

DASP產生的HfO2的部分缺陷結構

同時，可在3dec.out看到DEC模塊的輸出如下：

可以看到，DEC模塊目前只產生了所有缺陷電中性（q=0）的計算目錄。

提交各缺陷q=0計算任務：

待中性缺陷的結構及其目錄產生完畢后，DEC模塊將調用VASP對其進行PBE優(yōu)化和HSE總能的計算（對應于dasp.in中l(wèi)evel = 2的參數），此步驟等待時間較長?？呻S時檢查3dec.out文件。3dec.out中的相關信息如下所示：

可以看到Hf_O1的電中性結構優(yōu)化計算出現了某些錯誤，導致計算無法完成。但是程序并不會中斷，而是繼續(xù)完成除了Hf_O1之外的所有計算。因此，用戶此時無需做額外操作，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計算出錯的各類情況，請參考常見問題。

產生帶電缺陷的計算目錄：

等待所有（除Hf_O1和能量較高的間隙缺陷）電中性的計算完成之后，程序將根據中性缺陷的計算結果，判斷各缺陷的價態(tài)范圍，從而生成各帶電缺陷的目錄及文件，對于計算錯誤（undo，failed，not converged）或者不進行后續(xù)計算（skip）的缺陷，會進行提示。3dec.out中的相關信息如下所示：

提交各缺陷q≠0的計算任務：

待帶電缺陷的結構及其目錄產生完畢后，DEC模塊將調用VASP對其進行PBE優(yōu)化和HSE總能的計算（對應于dasp.in中l(wèi)evel = 2的參數），此步驟的等待時間比3.2.2的更長。3dec.out中的相關信息如下所示：

計算帶電缺陷的修正：

所有的帶電缺陷（除Hf_O1和能量較高的間隙缺陷）的計算完成后，DEC模塊將計算FNV修正（根據dasp.in中correction = FNV的參數），并計算其缺陷形成能和轉變能級。由于之前計算錯誤（undo，failed，not converged）或者不進行后續(xù)計算（skip）的缺陷的報錯信息，每個缺陷各價態(tài)的修正量和形成能的具體數值，都記錄在3dec.out中：

所有的形成能和轉變能級的數據，也都記錄在各缺陷目錄下的defect.log文件中。

輸出形成能圖像：

此時程序已經全部執(zhí)行完畢，但是通過輸出我們發(fā)現Hf_O1缺陷并沒有被計算。解決方法如下：

1. 根據VASP的報錯信息，適當調整/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0 目錄中的INCAR參數。

2. 回到dec目錄，新建一個名為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。程序會自動判斷已經完成的計算，并根據redo.in重新計算該缺陷。

4. DEC模塊會單獨針對Hf_O1缺陷做中性和帶電缺陷的計算，并計算它的形成能。

最后，DEC模塊利用所有修正過后的HfO2在兩個化學勢處的缺陷形成能，自動輸出缺陷形成能 v.s. 費米能級的圖像。如下圖所示：

HfO2在p1處（Hf-rich）的缺陷形成能隨費米能級的變化

HfO2在p2處（O-rich）的缺陷形成能隨費米能級的變化

同時也會輸出各缺陷轉變能級的圖像。如下圖所示：

HfO2各缺陷的轉變能級

審核編輯 ：李倩