Doping properties of monoclinic BiVO4studied by first-principles density-functional theory

兴奋剂 杂质 材料科学 费米能级 凝聚态物理 单斜晶系 类型(生物学) 结晶学 物理 化学 晶体结构 地质学 量子力学 电子 古生物学
作者
Wan‐Jian Yin,Su‐Huai Wei,Mowafak Al‐Jassim,John A. Turner,Yanfa Yan
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:83 (15) 被引量:234
标识
DOI:10.1103/physrevb.83.155102
摘要

The intrinsic and extrinsic doping properties of BiVO${}_{4}$, i.e., the formation energies and transition energy levels of defects and impurities, have been studied systematically by first-principles density-functional theory. We find that for doping caused by intrinsic defects, O vacancies are shallow donors and Bi vacancies are shallow acceptors. However, these defects compensate each other and can only lead to moderate $n$-type and $p$-type conductivities at Bi-rich and O-rich growth conditions, respectively. To obtain BiVO${}_{4}$ with high $n$-type and $p$-type conductivities, which are required for forming Ohmic contacts, extrinsic doping using foreign impurities is necessary. Our results reveal that Sr, Ca, Na, and K atoms on Bi sites are very shallow acceptors and have rather low formation energies. The calculated Fermi-level pinning positions predict that doping of these impurities under oxygen-rich growth conditions should result in outstanding $p$-type conductivity. Substitutional Mo and W atoms on V sites are very shallow donors and have very low formation energies. Fermi-level pinning position calculations expect the doping of Mo and W under oxygen-poor growth conditions to produce excellent $n$-type conductivity. Also discussed is the dependence of formation energies and transition energies of defects on the atomic size and atomic chemical potential trends.
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