掺杂模型是什么？ | 半导体/光电材料电子结构调控的核心机制

掺杂模型是材料科学和半导体物理中的一个重要研究领域，它通过在材料中引入异质元素或缺陷，可以显著改变材料的电子结构、光学性质、热导率等物理特性。

掺杂模型不仅在理论研究中具有重要意义，也在实际应用中发挥着关键作用，例如在太阳能电池、LED、传感器、存储器等器件中。以下将从多个角度详细探讨掺杂模型的结构、机制及其在不同材料中的应用。

掺杂模型是指在材料中引入特定的杂质原子或离子，以改变其电子结构和物理性质的理论模型。掺杂可以分为两种类型：n型掺杂和p型掺杂。n型掺杂是指引入提供额外电子的杂质原子，而p型掺杂则是引入提供空穴的杂质原子。掺杂的目的是为了调控材料的导电性、能带结构、磁性等性质。

在掺杂模型中，通常会考虑以下几个方面：

掺杂原子的种类和浓度：不同种类的掺杂原子对材料的性质影响不同。例如，在半导体中，掺杂的浓度决定了材料的导电类型和导电率。

掺杂原子的位置和分布：掺杂原子可以在晶格中占据不同的位置，如替位掺杂、间隙掺杂、表面掺杂等。不同的掺杂方式会影响材料的电子结构和性能。

掺杂对能带结构的影响：掺杂会引入新的能级，从而改变材料的能带结构。例如，在半导体中，掺杂可以形成施主能级或受主能级，从而改变材料的导电性。

掺杂对磁性的影响：在某些材料中，掺杂可以诱导出磁性。例如，在过渡金属氧化物中，掺杂可以引入自旋极化子，从而产生磁性。

Co-Zn掺杂模型

在文献《Chemical and structural origin of lattice oxygen oxidation in Co-Zn oxyhydroxide oxygen evolution electrocatalysts》中，作者展示了不同比例的锌掺杂在钴氧化物（CoO₂）中的结构模型。这些模型展示了不同比例的锌掺杂（0.1、0.2、0.5）对CoO₂结构的影响。蓝色球代表钴原子，红色球代表氧原子，绿色球代表锌原子。这些模型表明，随着锌掺杂比例的增加，CoO₂的结构逐渐发生变化，锌原子在不同位置的分布也有所不同。

石墨烯掺杂模型

在《Towards new graphene materials: Doped graphene sheets and nanoribbons》中，作者探讨了石墨烯的掺杂技术。石墨烯在未掺杂状态下表现出零能隙半导体特性，而为了实现电子应用，打开石墨烯的能隙是至关重要的。掺杂技术为定制石墨烯的电子性质提供了有力途径。例如，通过引入氮、硼等元素，可以改变石墨烯的能带结构，使其具有半导体特性。

掺杂模型的建立通常依赖于第一性原理计算和实验验证。在《基于MatElab的能源材料大数据利用及云插件开发》中，作者提出了一种确定掺杂结构的流程图。该流程图包括以下几个步骤：

获取材料信息：从ICSD数据库中获取材料的晶体结构信息。

计算Ea值：通过计算得到Ea值，并建立Ea模型。

预测不同掺杂比例和排列方式的Ea值：利用Heteroanionic化合物和Fast Li ionic conductors模型预测不同掺杂比例和排列方式的Ea值。

DFT计算：通过DFT计算得到能量（E）和频率（f）模型，进行结构松弛优化。

得到最优掺杂方案：最终得到最优掺杂方案，并通过实验验证其可行性。

掺杂模型是材料科学和半导体物理中的一个重要研究领域，它通过在材料中引入异质元素或缺陷，可以显著改变材料的电子结构、光学性质、热导率等物理特性。掺杂模型不仅在理论研究中具有重要意义，也在实际应用中发挥着关键作用。随着计算方法的不断进步和实验技术的不断发展，掺杂模型将在未来的材料科学和电子工程领域发挥更加重要的作用。