一种
β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法
技术领域
1.本发明涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法。
背景技术：2.氧化镓(ga2o3)有α、β、γ、δ、ε五种多晶型，其中热力学最稳定的是单斜β相，其具有很强的离子性且带隙接近5ev，也是唯一一种可以通过熔体生长技术(包括浮区、边缘限定薄膜生长和直拉法)生长的相，这使得大尺寸单晶衬底的批量生产成为可能。基于这些特点，使得β-ga2o3成为高温气体传感器，高压场效应晶体管和日盲紫外光电探测器的候选材料，且β-ga2o3也被建议用于低波长可调谐激光器，薄膜异质结太阳能电池中的n型层，以及用作抗静电层的深紫外透明导电氧化物(tco)等。
3.在应用β-ga2o3材料之前，需要对其电学和光学活性缺陷进行全面的了解。目前，基于密度泛函理论(dft)的第一性原理计算已被用于许多材料特性的研究，如光学、磁性和电子结构，理论计算可以深入了解材料，有助于我们进一步了解材料本身，且β-ga2o3氧空位的形成能在过去几年中已经得到了研究，但采用不同的泛函和近似方法会导致结果存在差异。其中，通过广义梯度近似(gga)和局部密度近似(lda)泛函不能够很好的描述半导体的电子结构，会低估半导体材料中的带隙，从而导致缺陷引起的缺陷状态无法得到正确处理，而hartree-fock(hf)密度泛函、heyd-scuseria-ernzerhof (hse)泛函和筛选交换等精确方法又受限于计算资源，均难以得到精准的结果。
技术实现要素：4.本发明解决的问题是如何提供一种能够快速、准确计算β-ga2o3单晶缺陷性质的方法。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、构建β-ga2o3原胞，将β-ga2o3原胞的晶格参数调整为实验值，然后对其进行离子弛豫和结构优化，得到优化后的β-ga2o3原胞；
7.步骤s2、分别采用不同的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行自洽计算，直至原胞的总能量不再随k点的变化而改变，则选择此时的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行能带计算，在所述能带计算过程中，通过调整hse 与pbe的比例，测试不同混合参数下所述优化后的β-ga2o3原胞的禁带宽度，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数；
8.步骤s3、对所述优化后的β-ga2o3原胞进行扩胞，得到β-ga2o3超胞；
9.步骤s4、在所述β-ga2o3超胞中构建缺陷模型，并对所述缺陷模型进行结构优化，直至所述缺陷模型的结构能够达到一步自洽，得到稳定的缺陷模型结构；
10.步骤s5、选择所述步骤s2中得到的实验参数对所述稳定的缺陷模型结构进行自洽计算；
11.步骤s6、提取步骤s5中计算文件的数据，获得所述稳定的缺陷模型的缺陷形成能
和电荷转移能级，并建立β-ga2o3缺陷性质数据库。
12.优选地，所述步骤s1中，通过findit软件查找β-ga2o3的晶格参数，得到β-ga2o3的晶格参数实验值为a＝12.23，b＝3.04，c＝5.8，α＝90
°
，β＝103.7
°
，γ＝90
°
；其中，a、b和c为晶格的单胞边长参数，α、β和γ为晶格的单胞三个角度参数。
13.优选地，所述步骤s1中，采用vasp软件对调整后的β-ga2o3原胞进行离子弛豫和结构优化，使所述β-ga2o3原胞的能量达到最小值。
14.优选地，所述步骤s3中，所述β-ga2o3超胞在3个方向上的尺度保持一致，且所述β-ga2o3超胞的晶格尺寸大于
15.优选地，所述步骤s4中，在构建缺陷模型过程中，考虑不同晶体结构的格点位置，从而构建得到不同的缺陷模型。
16.优选地，所述步骤s4中，对所述缺陷模型进行结构优化，找到所述缺陷模型能量最低的结构，直至所述缺陷模型的结构能够达到一步自洽。
17.优选地，所述步骤s6中，所述缺陷形成能采用以下公式计算：
18.ef[xq]＝e
tot
[xq]-e
tot
[bulk]-∑iniμi+q[ef+ev+δv]；
[0019]
其中，e
tot
[xq]为缺陷体系的总能量，e
tot
[bulk]为超胞总能量，n为缺陷体系增加或减少的原子个数，μ为缺陷体系增加或减少的原子的化学势，q 为缺陷体系的电荷量，ef为费米能级，ev为缺陷的价带底，
△
v为修正项， i为原子序数。
[0020]
优选地，所述步骤s6中，所述电荷转移能级采用以下公式计算：
[0021][0022]
其中，q1为转移前电荷态，q2为转移后电荷态，ef(x
q1
；ef＝0)为q1电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ef(x
q2
；ef＝0)为q2电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ε(q1/q2)为缺陷的q1、q2电荷态之间的转换能级。
[0023]
本发明通过将β-ga2o3原胞的晶格参数调整为实验值，并对其结构进行优化，构建与实验值相符的原胞结构，使其能够具备准确模拟实验的能力，然后通过选择总能量不再随k点变化而改变时的k点条件下对其进行能带计算，并通过调整计算过程中hse和pbe的比例，测试不同混合参数体系下禁带宽度的变化，选择计算结构与实验值一致的混合参数作为实验参数，最后基于hse和pbe的杂化泛函对扩胞后的β-ga2o3超胞缺陷结构进行计算，从而得到准确的缺陷形成能和电荷转移能级等数据；本发明提供的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法利用hse和pbe的杂化泛函计算缺陷形成能和电荷转移能级能够避免gga和lda导致的低估β-ga2o3中带隙的问题，能够获得更接近实验数据的计算结果。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例中β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法的流程图；
[0025]
图2为本发明实施例中β-ga2o3原胞结构示意图；
[0026]
图3为本发明实施例中不同k点下β-ga2o3原胞能量变化趋势图；
[0027]
图4为本发明实施例中不同混合参数下β-ga2o3原胞的禁带宽度变化趋势图；
[0028]
图5为本发明实施例中β-ga2o3超胞结构示意图；
[0029]
图6为本发明实施例中β-ga2o3超胞镓空位缺陷结构示意图；
[0030]
图7为本发明实施例中β-ga2o3镓空位缺陷结构的缺陷形成能与不同电荷态下转换能级示意图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
[0033]
本发明实施例提供一种β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0034]
步骤s1、构建β-ga2o3原胞，将β-ga2o3原胞的晶格参数调整为实验值，然后对其进行离子弛豫和结构优化，得到优化后的β-ga2o3原胞；
[0035]
步骤s2、分别采用不同的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行自洽计算，直至原胞的总能量不再随k点的变化而改变，则选择此时的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行能带计算，在所述能带计算过程中，通过调整hse 与pbe的比例，测试不同混合参数下所述优化后的β-ga2o3原胞的禁带宽度，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数；
[0036]
步骤s3、对所述优化后的β-ga2o3原胞进行扩胞，得到β-ga2o3超胞；
[0037]
步骤s4、在所述β-ga2o3超胞中构建缺陷模型，并对所述缺陷模型进行结构优化，直至所述缺陷模型的结构能够达到一步自洽，得到稳定的缺陷模型结构；
[0038]
步骤s5、选择所述步骤s2中得到的实验参数对所述稳定的缺陷模型结构进行自洽计算；
[0039]
步骤s6、提取步骤s5中计算文件的数据，获得所述稳定的缺陷模型的缺陷形成能和电荷转移能级，并建立β-ga2o3缺陷性质数据库。
[0040]
步骤s1中，首先构建β-ga2o3原胞，通过findit软件查找β-ga2o3的晶格参数，得到β-ga2o3的晶格参数实验值为a＝12.23，b＝3.04，c＝5.8，α＝90
°
，β＝103.7
°
，γ＝90
°
，其中，a、b和c为晶格的单胞边长参数，α、β和γ为晶格的单胞三个角度参数，将构建的β-ga2o3原胞晶格参数调整为实验值；然后，采用vasp软件对β-ga2o3原胞进行离子弛豫和结构优化，使β-ga2o3原胞的能量达到最小值，从而得到稳定的β-ga2o3原胞结构，得到优化后的β
ꢀ‑
ga2o3原胞。将β-ga2o3原胞的晶格参数调整为实验值能够更加准确的模拟β-ga2o3原胞的真实情况，提高结果计算的准确性。
[0041]
步骤s2中，分别采用不同的k点对优化后的β-ga2o3原胞进行自洽计算，直至原胞的总能量不再随k点的变化而改变，则选择此时的k点对优化后的β-ga2o3原胞进行能带计算，在能带计算过程中，通过调整hse与pbe 的比例，测试不同混合参数下所述优化后的β-ga2o3原胞的禁带宽度，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数。通过hse和pbe的杂化泛函进行计算能够避免gga和lda导致的低估β-ga2o3中带隙的问题，从而获得更接近实验数据的计算结果，通过调整hse和pbe的比例，使计算得到的禁带宽度与实验值一致，能够进一步提高计算的准确性，使得到的计算结构与实验数据更加接近。
[0042]
具体地，β-ga2o3原胞的禁带宽度为4.5-5.0ev，当调整hse和pbe的比例后，如果计算得到的禁带宽度在此范围内，则将其作为实验参数，用于后续计算。
[0043]
步骤s3中，对β-ga2o3原胞进行扩胞，为了兼顾计算精度和计算资源，扩胞后的β-ga2o3超胞尺寸在以上，另外，为了便于后续数据处理，β
ꢀ‑
ga2o3超胞在3个方向上的尺度应保持一致。
[0044]
步骤s4中，在β-ga2o3超胞中构建缺陷模型，其中，β-ga2o3中o原子有三种格点，ga原子有两种格点，当构建ga空位缺陷模型时有两种缺陷形式，针对不同格点，能够构建得到不同的缺陷模型，然后对构建得到的缺陷模型进行结构优化，找到缺陷模型能量最低的结构，得到稳定的缺陷模型。在实际情况中，缺陷的形成并不是简单的从超胞结构中去除或添加原子，需要对构建的缺陷模型进行结构优化，找到缺陷模型能量最低的结构，再用于计算，能够更接近实验数据。
[0045]
具体地，在对缺陷模型进行结构优化时，需要对缺陷模型进行依次反复优化，直至优化后的结构再次进行优化时能够一步自洽为止。
[0046]
步骤s5中，采用步骤s3中得到的实验参数对β-ga2o3超胞进行自洽计算，获得计算结果。
[0047]
步骤s6中，从步骤s5的计算结果中提取关键参数，计算缺陷模型的缺陷形成能和电荷转换能级，其中，缺陷形成能采用以下公式进行计算：
[0048]ef
[xq]＝e
tot
[xq]-e
tot
[bulk]-∑iniμi+q[ef+ev+δv]；
[0049]
其中，e
tot
[xq]为缺陷体系的总能量，e
tot
[bulk]为超胞总能量，n为缺陷体系增加或减少的原子个数，μ为缺陷体系增加或减少的原子的化学势，q 为缺陷体系的电荷量，ef为费米能级，ev为缺陷的价带底，
△
v为修正项， i为原子序数。
[0050]
而电荷转移能级采用以下公式计算：
[0051][0052]
其中，q1为转移前电荷态，q2为转移后电荷态，ef(x
q1
；ef＝0)为q1电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ef(x
q2
；ef＝0)为q2电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ε(q1/q2)为缺陷的q1、q2电荷态之间的转换能级；
[0053]
然后将计算结果进行汇总，从而构建β-ga2o3的缺陷性质数据库。
[0054]
下面结合具体实施例介绍β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法：
[0055]
实施例
[0056]
1.1、首先构建β-ga2o3原胞，通过findit软件查找β-ga2o3的晶格参数，得到β-ga2o3的晶格参数实验值为a＝12.23，b＝3.04，c＝5.8，α＝90
°
，β＝103.7
°
，γ＝90
°
，其中，a、b和c为晶格的单胞边长参数，α、β和γ为晶格的单胞三个角度参数，将构建的β-ga2o3原胞晶格参数调整为实验值；然后，采用vasp软件对β-ga2o3原胞进行离子弛豫和结构优化，几何优化计算使用pbe交换相关函数完成，ga3d电子被视为价电子，平面波基础的截止能量设置为400ev，使用3
×3×
3的monkhorst-pack k点，使β-ga2o3原胞的能量达到最小值，从而得到稳定的β-ga2o3原胞结构，其中，β-ga2o3原胞的结构如图2所示；
[0057]
1.2、分别采用不同的k点对优化后的β-ga2o3原胞进行自洽计算，直至原胞的总能量不再随k点的变化而改变，则选择此时的k点对优化后的β
‑ꢀ
ga2o3原胞进行能带计算，在能
带计算过程中，通过调整hse与pbe的比例，测试不同混合参数下所述优化后的β-ga2o3原胞的禁带宽度，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数，其中，对于hse自洽，monkhorst
‑ꢀ
pack k点设置为0.25、0.25、0.25；
[0058]
其中，图3为不同k点下β-ga2o3原胞能量的变化示意图，从图中可以看出，k点为6以后，原胞的总能量不再随k点的变化而改变；图4为不同混合参数下β-ga2o3原胞的禁带宽度变化趋势图，由于β-ga2o3原胞禁带宽度的实验值为4.5-5.0ev，根据图4可以看出，当hse和pbe杂化泛函的 aexx＝0.30和0.32时，计算得到的禁带宽度位于实验值的范围内；
[0059]
1.3、对β-ga2o3原胞进行扩胞，为了兼顾计算精度和计算资源，扩胞后的β-ga2o3超胞结构如图5所示，包括120个原子，另外，为了便于后续数据处理，β-ga2o3超胞在3个方向上的尺度应保持一致；
[0060]
1.4、在β-ga2o3超胞中构建缺陷模型，其中，去除ga1格点的ga原子，构建镓空位缺陷结构；对构建得到的缺陷模型进行结构优化，找到缺陷模型能量最低的结构，得到稳定的缺陷模型，并通过依次反复优化，直至优化后的结构再次进行优化时能够一步自洽为止，其中，β-ga2o3超胞镓空位缺陷模型的结构示意图如图6所示；
[0061]
1.5、采用aexx＝0.30作为实验参数β-ga2o3超胞进行自洽计算，获得计算结果；
[0062]
1.6、从步骤1.5的计算结果中提取关键参数，计算缺陷模型的缺陷形成能和电荷转换能级，其中，缺陷形成能采用以下公式进行计算：
[0063]ef
[xq]＝e
tot
[xq]-e
tot
[bulk]-∑iniμi+q[ef+ev+δv]；
[0064]
其中，e
tot
[xq]为缺陷体系的总能量，e
tot
[bulk]为超胞总能量，n为缺陷体系增加或减少的原子个数，μ为缺陷体系增加或减少的原子的化学势，q 为缺陷体系的电荷量，ef为费米能级，ev为缺陷的价带底，
△
v为修正项， i为原子序数。
[0065]
而电荷转移能级采用以下公式计算：
[0066][0067]
其中，q1为转移前电荷态，q2为转移后电荷态，ef(x
q1
；ef＝0)为q1电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ef(x
q2
；ef＝0)为q2电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ε(q1/q2)为缺陷的q1、q2电荷态之间的转换能级；
[0068]
图7为镓空位缺陷结构形成能与不同电荷态下转换能级结果图，如图7 所示，横坐标为费米能级ef，当费米能级ef为0ev时称为价带顶ev，当费米能级ef为4.7ev时称为导带底ec，纵坐标为v
ga1
缺陷形成能，曲线扭结处分别为不同电荷态的缺陷转换能级，例如，ε(0/1-)为ev+1.19，ε(1-/2-)为 ev+1.96，ε(2-/3-)为ev+2.24。
[0069]
1.7、将步骤1.6的计算结果进行汇总，从而构建β-ga2o3的缺陷性质数据库。
[0070]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
技术特征：1.一种β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、构建β-ga2o3原胞，将β-ga2o3原胞的晶格参数调整为实验值，然后对其进行离子弛豫和结构优化，得到优化后的β-ga2o3原胞；步骤s2、分别采用不同的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行自洽计算，直至原胞的总能量不再随k点的变化而改变，则选择此时的k点对所述优化后的β-ga2o3原胞进行能带计算，在所述能带计算过程中，通过调整hse与pbe的比例，测试不同混合参数下所述优化后的β-ga2o3原胞的禁带宽度，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数；步骤s3、对所述优化后的β-ga2o3原胞进行扩胞，得到β-ga2o3超胞；步骤s4、在所述β-ga2o3超胞中构建缺陷模型，并对所述缺陷模型进行结构优化，直至所述缺陷模型的结构能够达到一步自洽，得到稳定的缺陷模型结构；步骤s5、选择所述步骤s2中得到的实验参数对所述稳定的缺陷模型结构进行自洽计算；步骤s6、提取步骤s5中计算文件的数据，获得所述稳定的缺陷模型的缺陷形成能和电荷转移能级，并建立β-ga2o3缺陷性质数据库。2.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过findit软件查找β-ga2o3的晶格参数，得到β-ga2o3的晶格参数实验值为a＝12.23，b＝3.04，c＝5.8，α＝90
°
，β＝103.7
°
，γ＝90
°
；其中，a、b和c为晶格的单胞边长参数，α、β和γ为晶格的单胞三个角度参数。3.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s1中，采用vasp软件对调整后的β-ga2o3原胞进行离子弛豫和结构优化，使所述β-ga2o3原胞的能量达到最小值。4.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述β-ga2o3超胞在3个方向上的尺度保持一致，且所述β-ga2o3超胞的晶格尺寸大于5.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s4中，在构建缺陷模型过程中，考虑不同晶体结构的格点位置，从而构建得到不同的缺陷模型。6.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s4中，对所述缺陷模型进行结构优化，找到所述缺陷模型能量最低的结构，直至所述缺陷模型的结构能够达到一步自洽。7.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s6中，所述缺陷形成能采用以下公式计算：e
f
[x
q
]＝e
tot
[x
q
]-e
tot
[bulk]-∑
i
n
i
μ
i
+q[e
f
+e
v
+δv]；其中，e
tot
[x
q
]为缺陷体系的总能量，e
tot
[bulk]为超胞总能量，n为缺陷体系增加或减少的原子个数，μ为缺陷体系增加或减少的原子的化学势，q为缺陷体系的电荷量，e
f
为费米能级，e
v
为缺陷的价带底，δv为修正项，i为原子序数。8.根据权利要求1所述的β-ga2o3单晶缺陷性质的计算方法，其特征在于，所述步骤s6中，所述电荷转移能级采用以下公式计算：
其中，q1为转移前电荷态，q2为转移后电荷态，e
f
(x
q1
；e
f
＝0)为q1电荷态费米能级为0的缺陷形成能，e
f
(x
q2
；e
f
＝0)为q2电荷态费米能级为0的缺陷形成能，ε(q1/q2)为缺陷的q1、q2电荷态之间的转换能级。
技术总结本发明提供一种β-Ga2O3单晶缺陷性质的计算方法，包括：构建β-Ga2O3原胞，通过调整HSE与PBE的比例，选择禁带宽度与实验值一致的混合参数作为实验参数；对β-Ga2O3原胞进行扩胞，得到β-Ga2O3超胞；在β-Ga2O3超胞中构建缺陷模型，并对缺陷模型进行结构优化，选择步骤S3中得到的实验参数对缺陷模型结构进行自洽计算；提取步骤S5中计算文件的数据，获得所述稳定的缺陷模型的缺陷形成能和电荷转移能级。本发明提供的β-Ga2O3单晶缺陷性质的计算方法利用HSE和PBE的杂化泛函计算缺陷形成能和电荷转移能级能够避免低估β-Ga2O3中带隙的问题，获得更接近实验数据的计算结果。获得更接近实验数据的计算结果。获得更接近实验数据的计算结果。
技术研发人员：徐晓东 魏亚东 李兴冀 杨剑群
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
