[论文解读] Electronic Structure of Amorphous Copper Iodide: A p-type Transparent Semiconductor

Zhaofu Zhang, Yuzheng Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Copper-based nanomaterials and applications被引用 5

一句话总结

本研究通过从头算分子动力学和杂化泛函计算，证明非晶态碘化铜（a-CuI）形成具有低空穴有效质量的随机四面体网络，从而实现高孔迁移率。价带最大值具有混合的 I(p)-Cu(t2g)-I(p) 特性，且对结构无序具有强鲁棒性；碘过量使费米能级进入价带但不发生钉扎——实现有效p型掺杂，使a-CuI成为一种有前途的p型透明半导体。

ABSTRACT

The atomic and electronic structure of the p-type transparent amorphous semiconductor CuI is calculated by ab-initio molecular dynamics. It is found to consist of a random tetrahedrally bonded network. The hole effective mass is found to be quite low, as in the crystal. The valence band maximum (VBM) state has a mixed I(p)-Cu(t2g)-I(p) character, and its energy is relatively insensitive to disorder. An iodine excess creates holes that move the Fermi level into the valence band, but it does not pin the Fermi level above the VBM mobility edge. Thus the Fermi level can easily enter the valence band if p-doped, similar to the behavior of electrons in In-Ga-Zn oxide semiconductors but opposite to that of electrons in a-Si:H. This suggests that amorphous CuI could make an effective p-type transparent semiconductor.

研究动机与目标

• 研究非晶态CuI作为潜在p型透明半导体的电子结构。
• 确定晶体CuI中的孔迁移率是否在非晶相中得以保持。
• 理解为何非晶态CuI中的费米能级不会像非晶态氢化硅（a-Si:H）那样在迁移率隙内发生钉扎。
• 探讨碘过量在实现p型行为但不引起费米能级钉扎中的作用。

提出的方法

• 采用GGA+U（U = 4.8 eV）的从头算分子动力学（MD）方法，从闪锌矿结构CuI的超胞生成a-CuI结构。
• MD过程包括在2000 K下退火4 ps，随后以10 K/ps的速率快速淬火至300 K，以诱导非晶化。
• 在GGA+U框架下进行结构弛豫，以实现力收敛（<0.02 eV/Å）和能量收敛（<10−5 eV/原子）。
• 采用HSE和SX杂化泛函进行电子结构计算，以精确校正带隙，使用33%的Hartree-Fock交换以匹配实验测得的3.1 eV带隙。
• 通过部分态密度（PDOS）和波函数分析，表征价带最大值和缺陷态。
• 构建碘过量模型（Cu44I46）以研究p型掺杂条件下费米能级的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶态CuI能否像其晶体对应物一样保持低空穴有效质量和高迁移率？
• RQ2 非晶态CuI中价带最大值的电子特性是什么？其对结构无序的鲁棒性如何？
• RQ3 为何非晶态CuI中的费米能级不会像非晶态氢化硅那样在迁移率隙内发生钉扎？
• RQ4 碘过量如何影响费米能级位置以及非晶态CuI中p型掺杂的潜力？

主要发现

• 非晶态CuI网络形成随机四面体键合结构，且Cu-Cu团簇可忽略不计，该结果由径向分布函数证实。
• 由于价带最大值的离域特性，非晶态CuI中的空穴有效质量保持较低，与晶体CuI相当。
• 非晶态CuI中价带最大值（VBM）态具有混合的 I(p)-Cu(t2g)-I(p) 特性，其能量对结构无序相对不敏感。
• 碘过量引入空穴，使费米能级进入价带但不发生钉扎于迁移率边以上，从而实现有效p型掺杂。
• 在p型掺杂下，费米能级可轻易进入价带，类似于氧化铟镓锌半导体中的电子输运行为，但与a-Si:H中的行为相反。
• VBM态的波函数在I和Cu原子间离域，表明非晶相中具有良好的空穴输运特性。