DASP软件文献赏析｜拓扑材料数据库的另类应用：设计能带色散大、缺陷容忍的半导体

单位：复旦大学 计算物质科学教育部重点实验室、微电子学院、专用集成电路与系统国家重点实验室；华东师范大学 极化材料与器件教育部重点实验室；上海期智研究院

标题：Searching for Band-Dispersive and Defect-Tolerant Semiconductors from Element Substitution in Topological Materials

文章DOI: 10.1021/jacs.2c01038

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背景介绍

近年来，拓扑材料的研究引起广泛关注，我国学者在该领域取得了一系列突破，基于高通量计算建立了系统的拓扑材料数据库， 道了一系列新型拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料，在Nature等期刊发表了多篇重要论文。

如果对比拓扑材料和传统的光伏和热电半导体，可以发现一个有趣的现象：很多好的光伏和热电半导体，都与拓扑材料有一些“亲戚”关系，通过将光伏和热电半导体中的元素替换成更重的元素，就可能会变成拓扑材料。比如，著名的薄膜光伏半导体CdTe可以变成拓扑材料HgTe，光伏和热电半导体Sb2Se3和Bi2Se3可以变为拓扑绝缘体Bi2Se3。因此，在2010年拓扑材料研究兴起阶段，有研究 道，通过在已知的光伏和热电半导体中进行元素替换，可以设计新的拓扑材料体系，比如，从CuInSe2可以设计出CuTISe2，从Cu2ZnSnSe4可以设计出 Cu2HgPbSe4。

这种元素替换策略的物理依据在于，拓扑材料往往要求电子能带的价带和导带出现反转；而好的光伏和热电半导体通常载流子迁移率较高，电子能带色散较大，带隙不是太大。如果将这些光伏和热电半导体的部分元素替换为更重的元素，就可能实现能带反转，使得半导体转变为拓扑材料。

根据这样的物理依据，如果反其道而行之，从拓扑材料数据库中大量新型拓扑材料出发，将其中的重元素替换为轻元素，是否有可能发现性能优异的新型光伏半导体或热电半导体呢？

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文章简介

近日，复旦大学陈时友团队发现，通过在拓扑材料中进行“重-轻元素”替换，可以设计出能带色散大、缺陷容忍的新型半导体。该团队针对拓扑材料数据库中三类拓扑材料体系进行了元素替换，通过电子能带和缺陷性质的计算发现，替换演化出来的半导体均具有能带色散大、缺陷能级浅的优点，可能成为潜在的高性能光伏或热电半导体，证实了该设计思路的有效性。

该研究从拓扑半金属Na3Bi和EuCd2Sb2、拓扑绝缘体Pb2Bi2Te5出发，将其中的Bi，Pb，Te，Eu，Cd等重元素替换为轻元素。能带计算发现，替换演化出的材料Na3As，Na3P，Na3Sb，Pb2Sb2S5，Sn2Sb2S5，CaCd2Sb2，CaZn2N2都是半导体，并且最低的导带和最高的价带都具有较大的色散。进一步，针对其中带隙合适的四类半导体Na3As，Na3P，Sn2Sb2S5和CaZn2N2，该研究采用自主开发的“缺陷和杂质第一性原理计算软件包”DASP（已公开发布，可通过鸿之微云申请使用）进行了缺陷性质的系统计算，发现这些半导体都具有“缺陷容忍”的特征，即高浓度的缺陷能级都比较浅、深能级的缺陷浓度都很低。这意味着，在光照下或有非平衡载流子注入时，这些半导体体内载流子非辐射复合不严重，这对于光伏、光催化等器件的应用是非常有利的。

此外，该研究还基于拓扑半金属Na3Bi的结构替换发现了Na3Sb、Na3As和Na3P的新基态结构。2014年，中科院金属所陈星秋研究员课题组发现了拓扑绝缘体Na3Bi的一种新基态结构（P-3c1），该结构比以前实验上宣称的结构更稳定。对于与Na3Bi同类的Na3Sb、Na3As和Na3P，其基态晶体结构迄今仍未有定论。该研究发现，如果Na3Sb、Na3As和Na3P呈现和Na3Bi一样的P-3c1结构，其能量比以前研究中宣称的各种结构更低，因此，以前研究中关于这三类半导体结构的论断值得重新推敲。

该研究为设计和搜寻新型半导体功能材料提供了一种新的思路。近年来建设的拓扑材料数据库中收录了大量新型拓扑材料，为元素替换设计思路提供了广阔的材料体系空间。因此，有必要基于拓扑材料数据库进行高通量筛选计算，可能发现更多色散大、缺陷容忍的新型半导体。该研究可以被看成是拓扑材料数据库在拓扑物理研究之外的一种另类应用。

该研究采用的“缺陷和杂质第一性原理计算软件包”DASP说明书：

http://hzwtech.com/files/software/DASP/html/index.html

▲图1. Na3Bi、Na3Sb、Na3As和Na3P的（a，b）P63/mmc（c，d）P-3c1和（e，f）P63cm相的晶体结构图。

▲图2. （a）Na3P、（b）Na3As、（c）Na3Sb和（d）Na3Bi的电子能带结构。

▲图3. 在1273 K温度下生长、在300 K温度下工作的（a，b）Na3As和（c，d）Na3P中缺陷浓度和费米能级随生长条件的变化。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01038

由鸿之微和陈时友团队联合打造的DASP软件（缺陷和杂质的第一性原理计算模拟软件）于2022年2月25日正式发布。

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