DASP HfO2的本征缺陷计算（缺陷形成能和转变能级计算DEC）

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半导体缺陷和杂质性质的第一性原理计算模拟软件包，该软件包能针对输入的半导体晶体结构，基于材料基因组数据库和第一性原理软件包，自动计算并输出半导体的热力学稳定性，缺陷和杂质形成能及离化能级，半导体样品中缺陷、杂质和载流子浓度及费米能级，关键缺陷和杂质诱导的光致发光谱、载流子辐射和非辐射俘获截面及少子寿命。

针对任一半导体，DASP软件可以计算给出如下性质：热力学稳定性、元素化学势空间的稳定范围、缺陷（含杂质，下同）形成能、缺陷转变能级、各生长条件下的费米能级、载流子和缺陷浓度、缺陷的光致发光谱、缺陷对载流子的俘获截面、辐射和非辐射复合速率等。

本期将给大家介绍DASP HfO2的本征缺陷计算 5.2.3-5.2.3.2 的内容。

5.2.3. 缺陷形成能和转变能级计算DEC

5.2.3.1. 运行DEC模块

在上一步使用命令 dasp 2 执行TSC模块时，会生成HfO2/tsc目录，并在该目录中产生 2tsc.out 文件。等待程序执行完毕， 2tsc.out 有相应的完成标志。打开HfO2/dasp.in，确认化学势已被程序自动输入。

确认TSC模块完成后，回到HfO2目录，使用命令 dasp 3 执行DEC模块。DEC模块会在第一步已经生成的dec目录中继续输出相关文件，包括缺陷结构，缺陷目录，以及运行日志文件 3dec.out 。等待程序完成期间无需额外操作。

5.2.3.2. DEC模块运行流程

产生缺陷结构：

根据 dasp.in 中的参数intrinsic = T，DEC模块将产生HfO2的本征缺陷，即生成HfO2/dec/Intrinsic_Defect计算目录，在其下面分别有空位缺陷V_Hf，V_O，反位缺陷Hf_O，O_Hf，间隙位缺陷Hf_i，O_i的缺陷结构和目录。根据对称性判断，HfO2晶格中不存在非等价的Hf原子，但存在两种不等价的O原子，因此V_O，Hf_O缺陷构型各有两种，V_Hf，O_Hf缺陷构型仅有一种，Hf_i，O_i的缺陷构型数量由用户输入参数决定。

将部分缺陷的晶体结构拖入晶体可视化软件，如下图所示。

DASP产生的HfO2的部分缺陷结构

同时，可在 3dec.out 看到DEC模块的输出如下：

可以看到，DEC模块目前只产生了所有缺陷电中性（q=0）的计算目录。

提交各缺陷q=0计算任务：

待中性缺陷的结构及其目录产生完毕后，DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算（对应于 dasp.in 中level = 2的参数），此步骤等待时间较长。可随时检查 3dec.out 文件。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

可以看到Hf_O1的电中性结构优化计算出现了某些错误，导致计算无法完成。但是程序并不会中断，而是继续完成除了Hf_O1之外的所有计算。因此，用户此时无需做额外操作，等待程序执行完毕即可。（Hf_O1缺陷的问题将在程序执行完毕后解决）遇到VASP计算出错的各类情况，请参考 常见问题 。

产生带电缺陷的计算目录：

等待所有（除Hf_O1和能量较高的间隙缺陷）电中性的计算完成之后，程序将根据中性缺陷的计算结果，判断各缺陷的价态范围，从而生成各带电缺陷的目录及文件，对于计算错误（undo，failed，not converged）或者不进行后续计算（skip）的缺陷，会进行提示。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

提交各缺陷q≠0的计算任务：

待带电缺陷的结构及其目录产生完毕后，DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算（对应于 dasp.in 中level = 2的参数），此步骤的等待时间比3.2.2的更长。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

计算带电缺陷的修正：

所有的带电缺陷（除Hf_O1和能量较高的间隙缺陷）的计算完成后，DEC模块将计算FNV修正（根据 dasp.in 中correction = FNV的参数），并计算其缺陷形成能和转变能级。由于之前计算错误（undo，failed，not converged）或者不进行后续计算（skip）的缺陷的报错信息，每个缺陷各价态的修正量和形成能的具体数值，都记录在 3dec.out 中：

所有的形成能和转变能级的数据，也都记录在各缺陷目录下的 defect.log 文件中。

输出形成能图像：

此时程序已经全部执行完毕，但是通过输出我们发现Hf_O1缺陷并没有被计算。解决方法如下：

1. 根据VASP的报错信息，适当调整/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0 目录中的INCAR参数。

2. 回到dec目录，新建一个名为 redo.in 的文件，在里面写入/home/test/HfO2/dec/Intrinsic_Defect/Hf_O1/initial_structure/q0。

3. 回到Hf_O1目录，再次使用命令 dasp 3 执行DEC模块。程序会自动判断已经完成的计算，并根据 redo.in 重新计算该缺陷。

4. DEC模块会单独针对Hf_O1缺陷做中性和带电缺陷的计算，并计算它的形成能。

最后，DEC模块利用所有修正过后的HfO2在两个化学势处的缺陷形成能，自动输出缺陷形成能 v.s. 费米能级的图像。如下图所示：

HfO2在p1处（Hf-rich）的缺陷形成能随费米能级的变化

HfO2在p2处（O-rich）的缺陷形成能随费米能级的变化

同时也会输出各缺陷转变能级的图像。如下图所示：

HfO2各缺陷的转变能级

 

审核编辑 ：李倩