经典网文分享: 晶体缺陷中的杂质缺陷产生条件是什么？

楼上已经说的很多了，再补充几句：
半导体中的元素点缺陷可以分为三类：间隙位、替位和空位。
间隙位是指夹在几个原子之间的位置，替位只指掺杂原子替换固体中某一原子的位置，空位是指从原固体的某一位置拿走一个原子。
以黄铜矿结构 $CuInSe_{2}$ 为例，其晶格结构如图

图中红色的是Cu原子，棕色的是In原子，黄色的是Se原子
我们要制造一个Cu空位（一般用 $V_{Cu}$ 表示），那么相应的晶体结构就成了

制造一个替位（以In替Cu为例，一般用 $In_{Cu}$ 表示），那么相应的晶体结构就成了

制造一个间隙位（以Cu的间隙位为例，一般用 $Cu_{i}$ 表示），那么相应的晶体结构就成了

要判断哪种缺陷容易形成，哪种不容易形成，需要比较掺杂前后，晶体结构的形成能，所谓形成能是指掺杂后和掺杂前的能量差，一般来说，我们的掺杂都是在等温等压的情况下发生的，因此该能量一般选择吉布斯自由能。掺杂后和掺杂前的吉布斯自由能之差越小，该掺杂就越容易实现。如果掺杂后和掺杂前的吉布斯自由能是正的，表明该掺杂不稳定，掺进去的原子更倾向于以cluster的形式留在被掺杂的固体中。
要计算掺杂的形成能一般采用第一性原理软件，这类软件目前很多。目前最流行的计算形成能的方法是由Su-Huai Wei, S. B. Zhang以及Alex Zunger等人提出的计算方法，他们提出，形成能的计算可以采用以下公式

$\Delta H[\alpha ,q]=E[\alpha ,q]-E[perfect]-\sum_{i}^{}{n_{i} \mu _{i} } +q(E_{V}+E_{F}+\Delta V )$

上面这个公式中左边 $\Delta H[\alpha ,q]$ 指掺杂的形成能，其中 $\alpha$ 指缺陷， $q$ 指缺陷所带的电荷量， $E[\alpha ,q]$ 指含带电缺陷的超胞的总能， $E[perfect]$ 指掺杂前，不含缺陷的超胞的总能， $n_{i}$ 指参与到掺杂去的原子的个数， $\mu _{i}$ 指各个元素的化学势， $E_{V}$ 指价带顶的能量， $E_{F}$ 指费米能级， $\Delta V$ 是一个修正项，用以将含缺陷的超胞的价带顶和不含缺陷的超胞的价带顶拉平。

通过这个公式，我们就可以计算掺杂后缺陷的在固体中的密度，可用以下公式来进行计算

$c(\alpha ,q)=\frac{N}{e^{\frac{\Delta H[\alpha ,q]}{kT} }+1 }\approx N e^{-\frac{\Delta H[\alpha ,q]}{kT} }$

其中 $c(\alpha ,q)$ 代表缺陷密度， $N$ 代表单位体积内可以形成该缺陷的位置的个数， $k$ 代表波尔兹曼常量， $T$ 代表温度。

该公式不仅可以计算缺陷的形成能，还能算出缺陷所带电荷量，已经缺陷的转变能级。

有关掺杂方面的内容，具体可参考一下链接：

Phys. Rev. B 57, 9642 (1998)
First-principles calculations for defects and impurities: Applications to III-nitrides

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：Mark Young

【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。点击下载

此问题还有 11 个回答，查看全部。
延伸阅读：
最近十年，化学有哪些重大突破？
2015 年化学最前沿在研究什么问题？

经典网文分享

晶体缺陷中的杂质缺陷产生条件是什么？

没有评论:

发表评论