AutoDefect是一款基于Python的自动化点缺陷计算工具包,该程序通过与PWmat协同工作,实现对点缺陷结构的高效计算,并能自动完成计算结果的分析与汇总。AutoDefect的设计初衷是为了提高研究人员在半导体材料点缺陷领域的工作效率,使得用户可以更便捷且高效地执行和分析带电缺陷的相关计算。
AutoDefect工作流程图
点缺陷的自动产生;
在线通过Materials Project数据库获取单质结构和化学势范围;
精确的缺陷形成能和转变能级的计算,包含镜像电荷能量修正;
基于缺陷形成能的缺陷和载流子浓度分析;
辐射复合速率和非辐射复合速率的计算。
增加了更多参数⽤于精确控制缺陷产⽣类型,如在⼀个化合物结构中只产⽣⼀种单元素空位,或在⼀个化合物结构中产⽣多个缺陷
提升了复合缺陷的产⽣效率,根据复合缺陷的对称性,同时产⽣多个不等价的缺陷对
新增了一种非辐射复合的计算方法[参考文献Physical Review B 90, 075202 (2014)]
优化原有非辐射复合的计算稳定性,增加了对声子相关计算的监测,增强了对无缺陷结构对称性的判断,防止其对称性判断错误导致计算效率和准确度下降
优化了默认生成超胞结构数值精度不够的问题
新增了多个计算过程参数,如重组能、缺陷转变能级、电声耦合系数等,如设置这些参数,则程序自动读取这些参数进行结果导出而不进行DFT计算
新增计算参数cal_pl,可用于计算光致发光光谱(PL谱)和黄-里斯因子,该方法需要进行缺陷声子计算[参考文献Computer Physics Communications 273, 108222 (2022)]
新增参数relax_prim_cell用于初始结构原胞的的晶格优化,默认为F,如设置为T,则程序运行 -pre后在calculate文件夹中会额外产生文件夹prim_stru_relax,运行autodefect -opt即可进行原胞原子和晶格优化,完成后会生成prim_opted.config文件用于产生超胞和声子相关计算
如何产生GaN中的C_N缺陷和C_N+V_Ga缺陷
准备优化好晶格的结构文件bulk.config
min_length=9
# 可选设置最小晶格长度,默认10 A
num_atoms=64 300
# 可选设置,最小/最大原子数,默认64-300
doping=T
doping_type=substitute
doping_atom=C
# 选择替位C
sub_init_atom=N
# 只替换N元素,默认遍历结构中所有的Ga和N
## 上述参数用于产生C替位N缺陷 ##
complex =T
# 是否产生复合缺陷
complex_type= substitute
# 以替位N作为基础结构添加缺陷
complex_vac_atom=Ga
# 设置Ga空位缺陷
defect_radius=3
# 在C替位C为中心,3埃为半径的球内搜索不等价复合缺陷
运行命令autodefect -gen bulk.config
等待几秒即可产生C_N缺陷以及两个不等价的C_N+v_Ga复合缺陷
如何使用一维模型计算GaN中C_N缺陷的非辐射复合
计算非辐射复合前首先需保证结构进行了高精度结构优化和形成能计算。根据计算结果或者文献,GaN中的C_N缺陷具有0/-1的缺陷转变能级,这里研究空穴从VBM到缺陷能级的复合过程,结合形成能的计算结果以及波函数可视化,判断VBM为429-431三个简并态,缺陷能级为432(自旋向下)。 计算非辐射复合(一维模型)的参数如下:
nonrate_type=2
# 1:基于缺陷声子谱的多声子静态耦合方法 2:用一维声子模型方法
defect_name= 0_C_N
# 载流子复合发生的缺陷名称
recomb_charge = -1 0
# 载流子复合发生的初态和末态的价态
recomb_band = 429 432
# 载流子复合发生的能带
radiactive = F
# 是否计算辐射复合,默认T
g_factor=4
# 末态的简并因⼦
ground=0
# 用于指定基态计算有效声子频率和电声耦合系数,默认为0
spin_channel = 2
# 复合发生的自旋通道,1/2表示无自旋或自旋向上/向下
temperature = 100 800
# 非辐射复合发生的温度
effectivemas=0.27 0.8
# 电子/空穴有效质量
## 其它可选参数 ##
# trans_level=0.79
# 可选参数,用于指定缺陷转变能级,默认从形成能计算结果中读取
# ep_ph
# 可选参数,⽤于指定电声耦合强度,默认单位eV/(amu^1/2 Å)
# dQ_disp= -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
# ep_disp= -0.164 -0.11 0 0.11 0.164
# dQ_disp和ep_disp为初态到末态结构进行线性插值的比例。分别用于计算一维声子和电声耦合强度
运行autodefect -rec
程序将⾃动在 calculate/0_C_N/q_-1_0_cc_diagram ⽣成三个⽂件夹⽤于计算位形坐标和电声耦合系数,每个⽂件夹下的结构为从初态到末态结构线性插值得到的新结构。随后⾃⾏遍历每个结构进⾏ scf 计算。计算完成后将输出一维构型图以及缺陷非辐射复合系数Cp随温度的变化图。