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在CALPHAD模型中运用第一性原理计算确定二元PbSe半导体的载流子浓度

DOI：10.1007/s11664-018-6819-z 期刊：Journal of Electronic Materials 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： PbSe是一种极具潜力的热电材料，通过纳米结构化、能带工程和载流子浓度调控可进一步提升其性能，因此深入理解PbSe中的缺陷至关重要。我们采用稀溶液近似下的第一性原理计算方法，系统研究了PbSe中点缺陷的形成能。研究发现：在富铅条件下，PbSe表现为以双电荷态硒空位为主导的n型半导体；而在富硒条件下，则呈现以双电荷态铅空位为主导的p型半导体特性——这两项结论均与既有实验结果相符。通过强制系统内所有带电原子态与电子态满足电中性条件，我们获得了温度及化学势相关的费米能级与载流子浓度分布。虽然第一性原理预测的载流子浓度与实验定性一致，但在数量级上存在微小偏差。为更精准描述实验数据，我们对PbSe开展了CALPHAD评估：将第一性原理参数作为输入值，专门针对二元半导体开发的五亚晶格CALPHAD模型（区别于既往将PbSe视为化学计量化合物的处理方式），该模型能准确描述实验观测的载流子浓度。此外还建立了适用于多元数据库的双亚晶格模型。两个模型均与实验数据高度吻合，且与第一性原理计算结果紧密匹配。这些CALPHAD模型可用于确定能实现最佳载流子浓度及峰值zT值的工艺参数。
作者： Matthew C. Peters，Jeff W. Doak，J.E. Saal，G.B. Olson，P.W. Voorhees
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过结合第一性原理计算与CALPHAD模型来模拟二元PbSe半导体的载流子浓度，从而理解和优化其热电性能。

研究成果

第一性原理计算表明，双电离空位是PbSe中的主要缺陷，与实验载流子浓度具有定性一致性。CALPHAD模型（5SL和2SL）显著提高了准确性，与实验数据高度吻合，并能预测优化热电性能的最佳工艺参数。该研究展示了DFT与CALPHAD在半导体建模中的协同效应。

研究不足

在富铅条件下，DFT计算低估了载流子浓度，在富硒条件下则高估了载流子浓度，这可能是由于平衡条件（固相与液相）的差异以及带隙预测的不准确性所致。未考虑自旋轨道耦合和振动熵，这些因素可能提高计算精度。该模型仅适用于二元PbSe体系，对于多组分系统可能需要调整。

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