含间隙缺陷块体半导体中的热与电荷输运

间隙缺陷不可避免地存在于掺杂半导体中，这些半导体支撑着现代电子、光电子或热电技术。对硅晶格中间隙缺陷的稳定性及其成键机制的理解，直到近来借助强大的实验方法支持的第一性原理建模技术出现才得以完成。然而，不同自然存在的间隙缺陷对硅的热学和电学性质的影响却很少受到关注。本工作中，我们系统研究了在随机分布的间隙缺陷（Si、Ge、C 和 Li）存在下块体硅的热与电荷输运性质的变化。我们通过原子晶格动力学和分子动力学建模研究发现，间隙缺陷散射载热声子以抑制热输运——1.56% 随机分布的 Ge 和 Li 间隙缺陷分别使硅的热导率降低约 30 和 34 倍。利用第一性原理密度泛函理论和半经典玻尔兹曼输运理论，我们计算了含 1.56% Ge、C、Si 和 Li 间隙缺陷（位于六方、四面体、分裂间隙和键中心位点）的块体 Si 的电子输运系数。我们证明六方-Si 和六方-Ge 间隙缺陷对电荷输运影响极小。为完成本研究，我们预测了一个实验上可实现的、含不同对称位点 Ge 间隙缺陷的块体 Si 样品的热电性质。我们的研究建立了由制备工艺决定的结构变化与硅的热和电荷输运性质之间的直接关系。该关系为指导准确估算硅基材料在各种技术应用中的性能提供了依据。