[發明專利]一種二維材料離化能的計算方法

在審

• 申請號: 201910610029.4
• 申請日: 2019-07-08
• 公開（公告）號: CN110633488A
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 雷雙瑛;郭斯佳
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F17/10
• 代理公司: 32200 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 朱小兵

本發明公開了一種二維材料離化能的計算方法，屬于二維材料性質模擬計算領域，該二維材料離化能的計算方法，通過計算二維材料在不同超胞下不同帶電狀態下的能量，通過數學擬合從而求得離化能。本發明提出的計算方法適用于所有二維材料，不受材料形狀等方面限制；本發明提出的計算方法操作簡單，僅需計算出二維材料在不同超胞下、不同帶電狀態下的能量，通過數學擬合即可求得離化能。本發明對二維材料的形狀結構無要求，適用范圍廣，計算方法簡單易行，計算結果也準確可觀。

技術領域

本發明涉及一種二維材料離化能的計算方法，屬于二維材料性質模擬計算領域。

背景技術

在材料生長的過程中，缺陷的形成往往無法避免，如空位、間隙和反位等，完美的材料是不存在的，即使是最高純度的金屬，每六個數量級的原子中也會出現一個雜質原子。這些缺陷嚴重地影響著材料的性能。同時缺陷也是調控材料性能的有效手段。缺陷在材料的諸多方面都扮演著重要角色，包括電學、力學、光學、磁學和動力學性能，并且不同類型的缺陷對材料性能的影響也各不相同，在半導體材料中摻入充足的施主雜質或受主雜質，是獲得高自由載流子濃度的必要手段。研究半導體中的缺陷問題一直都是半導體物理的核心問題。既然缺陷的形成不可避免，只有深入地理解缺陷行為以及它對材料性能的影響才能更好地控制缺陷。

材料中的缺陷或是雜質往往會在能隙中或是帶邊附近引入缺陷能級。這些是與不同帶電狀態的轉換密切相關的躍迀能級。躍遷能級又被稱為離化能，缺陷離化能定義為同一缺陷在兩種不同的帶電狀態和具有相等的形成能時所對應的費米能級的位置。離化能是使施主雜質束縛的電子電離或者受主雜質束縛的空穴電離所需要的能量。它決定著摻雜物(施主或者受主)在特定溫度下能夠提供的自由載流子數量。

通過計算缺陷離化能，可以得出缺陷能級。根據受主或施主能級相對于能帶邊緣(導帶底或價帶頂)的局域程度，缺陷能級又分為淺缺陷能級和深缺陷能級。當非局域的受主能級或施主能級距離能帶邊緣比較近時，空穴或電子就容易躍遷到相對應的能帶邊緣，此類能級稱為淺缺陷能級，在半導體中、其價電子受到束縛較弱的那些雜質原子，往往就是能夠提供載流子——電子或空穴的施主、受主雜質；與之相反，遠離能帶邊緣的缺陷能級稱之為深缺陷能級。深缺陷能級通常帶來很多負面影響，譬如說充當電子陷阱影響材料的傳輸特性。深能級雜質有四個基本特點：一是不容易電離，對載流子濃度影響不大。二是一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。三是能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低。四是深能級雜質電離后成為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減小，導電性能下降。

因此，一套可靠的二維半導體材料缺陷性能的評價機制對于推動二維半導體器件的發展而言具有十分重要的意義。

發明內容

技術問題：本發明的目的是提出一種二維材料離化能的計算方法，該方法通過計算二維材料在不同超胞下、不同帶電狀態下的能量，通過數學擬合從而求得離化能。本發明對二維材料的形狀結構無要求，適用范圍廣，計算方法簡單易行，計算結果也準確可觀。

本發明為解決以上技術問題采用如下技術方案：

本發明提出一種二維材料離化能的計算方法，具體包含如下步驟；

步驟1，在Jellium近似法中，帶電量為q的缺陷w形成能ΔH_f(q,w)的表達式為：

其中，E_tot(q,w)是包含缺陷晶胞的總能量，E_tot(host)是與之相同但不包含缺陷的晶胞能量，n_i是缺陷形成過程中交換的原子數量，μ_i是第i個原子的化學勢，且化學勢是體現不同實驗條件對形成能影響的物理量，ε_F是相對于價帶頂能量ε_VBM的費米能量；

步驟2，由步驟1可得，缺陷在不同帶電狀態下具有相同形成能時所確定的費米能級稱為過渡能級，可表示為，