[发明专利]一种二维材料离化能的计算方法

说明书

本发明公开了一种二维材料离化能的计算方法，属于二维材料性质模拟计算领域，该二维材料离化能的计算方法，通过计算二维材料在不同超胞下不同带电状态下的能量，通过数学拟合从而求得离化能。本发明提出的计算方法适用于所有二维材料，不受材料形状等方面限制；本发明提出的计算方法操作简单，仅需计算出二维材料在不同超胞下、不同带电状态下的能量，通过数学拟合即可求得离化能。本发明对二维材料的形状结构无要求，适用范围广，计算方法简单易行，计算结果也准确可观。

技术领域

本发明涉及一种二维材料离化能的计算方法，属于二维材料性质模拟计算领域。

背景技术

在材料生长的过程中，缺陷的形成往往无法避免，如空位、间隙和反位等，完美的材料是不存在的，即使是最高纯度的金属，每六个数量级的原子中也会出现一个杂质原子。这些缺陷严重地影响着材料的性能。同时缺陷也是调控材料性能的有效手段。缺陷在材料的诸多方面都扮演着重要角色，包括电学、力学、光学、磁学和动力学性能，并且不同类型的缺陷对材料性能的影响也各不相同，在半导体材料中掺入充足的施主杂质或受主杂质，是获得高自由载流子浓度的必要手段。研究半导体中的缺陷问题一直都是半导体物理的核心问题。既然缺陷的形成不可避免，只有深入地理解缺陷行为以及它对材料性能的影响才能更好地控制缺陷。

材料中的缺陷或是杂质往往会在能隙中或是带边附近引入缺陷能级。这些是与不同带电状态的转换密切相关的跃迀能级。跃迁能级又被称为离化能，缺陷离化能定义为同一缺陷在两种不同的带电状态和具有相等的形成能时所对应的费米能级的位置。离化能是使施主杂质束缚的电子电离或者受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。它决定着掺杂物(施主或者受主)在特定温度下能够提供的自由载流子数量。

通过计算缺陷离化能，可以得出缺陷能级。根据受主或施主能级相对于能带边缘(导带底或价带顶)的局域程度，缺陷能级又分为浅缺陷能级和深缺陷能级。当非局域的受主能级或施主能级距离能带边缘比较近时，空穴或电子就容易跃迁到相对应的能带边缘，此类能级称为浅缺陷能级，在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子——电子或空穴的施主、受主杂质；与之相反，远离能带边缘的缺陷能级称之为深缺陷能级。深缺陷能级通常带来很多负面影响，譬如说充当电子陷阱影响材料的传输特性。深能级杂质有四个基本特点：一是不容易电离，对载流子浓度影响不大。二是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。四是深能级杂质电离后成为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，导电性能下降。

因此，一套可靠的二维半导体材料缺陷性能的评价机制对于推动二维半导体器件的发展而言具有十分重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种二维材料离化能的计算方法，该方法通过计算二维材料在不同超胞下、不同带电状态下的能量，通过数学拟合从而求得离化能。本发明对二维材料的形状结构无要求，适用范围广，计算方法简单易行，计算结果也准确可观。

本发明为解决以上技术问题采用如下技术方案：

本发明提出一种二维材料离化能的计算方法，具体包含如下步骤；

步骤1，在Jellium近似法中，带电量为q的缺陷w形成能ΔH_f(q,w)的表达式为：

其中，E_tot(q,w)是包含缺陷晶胞的总能量，E_tot(host)是与之相同但不包含缺陷的晶胞能量，n_i是缺陷形成过程中交换的原子数量，μ_i是第i个原子的化学势，且化学势是体现不同实验条件对形成能影响的物理量，ε_F是相对于价带顶能量ε_VBM的费米能量；

步骤2，由步骤1可得，缺陷在不同带电状态下具有相同形成能时所确定的费米能级称为过渡能级，可表示为，