The role of Bi vacancies in the electrical conduction of BiFeO3: a first-principles approach

接受者 材料科学 杂质 热传导 半导体 背景(考古学) 电导率 兴奋剂 载流子 凝聚态物理 光电子学 化学 物理化学 物理 复合材料 古生物学 有机化学 生物
作者
Qiang Xu,Mushtaq A. Sobhan,Qian Yang,Franklin Anariba,Khuong P. Ong,Ping Wu
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
卷期号:43 (28): 10787-10793 被引量:57
标识
DOI:10.1039/c4dt00468j
摘要

We employ first-principles methods to study the mechanism controlling the electrical conduction in BiFeO3 (BFO). We find that under oxygen-rich conditions, Bi vacancies (V(Bi)) have lower defect formation energy than O vacancies (V(O)) (-0.43 eV vs. 3.35 eV), suggesting that V(Bi) are the acceptor defects and control the conductivity of BFO, making it a p-type semiconductor. In order to obtain further insight into the conduction mechanism, we calculate the effect of donor (Sn(4+)) and acceptor (Pb(2+)) impurities in BFO. Results indicate that Sn impurities prefer to substitute Fe sites to form shallow donor defects, which compensate the acceptor levels derived from V(Bi). Meanwhile, Pb atoms favour the substitution of Bi sites to form acceptor defects, reducing the overall concentration of holes (h(+)). Theoretical findings were later surveyed by current-voltage characteristics of Sn- or Pb-doped BFO nanofibers. This study is of general interest in carrier transport in charge compensation semiconductors, and of particular relevance within the context of defect-mediated conductivity in BFO.
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