An extended computational approach for point-defect equilibria in semiconductor materials

掺杂剂 晶体缺陷 半导体 材料科学 兴奋剂 退火(玻璃) 带隙 密度泛函理论 载流子 工作(物理) 凝聚态物理 光电子学 热力学 计算化学 化学 复合材料 物理
作者
T. Ogawa,Ayako Taguchi,Akihide Kuwabara
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:11
标识
DOI:10.1038/s41524-022-00756-0
摘要

Abstract Concentrations of intrinsic and extrinsic point defects in crystalline materials with a bandgap are typically calculated in a constant- μ approach from defect formation energies based on density functional theory. In this work, calculations of thermal and charge equilibria among point defects are extended to a constant- N approach. The two approaches for point-defect equilibria are comparatively demonstrated in the application to Mg 2 Si doped with Li, Na, and Ag, which is a lightweight and environmentally friendly thermoelectric candidate material. Our results reveal the systematic behavior of defect and carrier concentrations. The dopant atoms form interstitial defects at similar concentrations to substitutional defects at the Mg sites, resulting in significantly reduced free-carrier concentrations compared to the expected values. The developed procedures could be utilized to find an optimal avenue for achieving higher carrier concentrations, e.g., with regard to annealing temperature and the concentration of dopant atoms, in various semiconductors and insulators.
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