RbYS2电子结构、光学性质及本征缺陷诱导p型导电性的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0258

摘要/Abstract

摘要： 透明导电材料因兼具高可见光透射性和良好电导性，在光电子器件领域具有重要应用价值。然而，高性能 p型透明导电材料的开发仍面临挑战。基于密度泛函理论的第一性原理计算，本研究系统分析了RbYS₂的电子结构、光学性质、力学性质及本征缺陷主导下的p型导电行为。计算结果表明，RbYS₂为间接带隙半导体，禁带宽度为3.30 eV。光学性质计算显示，RbYS₂在可见光能区内吸收较弱，表现出良好的透明特性。力学性质计算表明RbYS₂具有良好的力学稳定性，且表现出明显的力学各向异性。进一步通过本征缺陷与载流子热力学模拟研究发现，在富S生长条件下，Rb空位（V_Rb）为最有利形成的受主型缺陷，形成能大小为1.14 eV，转移能级ε（0/-）位于价带顶（VBM）上方0.225 eV。缺陷在高温生长过程中形成并在1 200 K固定其浓度后快速淬火至室温时，体系的空穴浓度可达5.78×10¹⁸ cm^-3，在室温下呈现稳定的p型导电特征。

关键词: RbYS₂; 力学性质; 光学性质; 本征缺陷; 热力学模拟; 第一性原理; 密度泛函理论

Abstract: Transparent conductive materials have significant application value in the field of optoelectronic devices due to their combination of high visible light transmittance and good electrical conductivity. However， the development of high-performance p-type transparent conductive materials still faces challenges. Based on the first-principles calculations of density functional theory， this study systematically analyzed the electronic structure， optical properties and p-type conductive behavior dominated by intrinsic defects of RbYS₂. The calculation results show that RbYS₂ is an indirect bandgap semiconductor with a bandgap width of 3.30 eV. The optical property calculations indicate that RbYS₂ exhibits weak absorption in the visible light region， demonstrating good transparency. Calculations of mechanical properties indicate that RbYS₂ has good mechanical stability and exhibits obvious mechanical anisotropy. Further studies on intrinsic defects and carrier thermodynamics simulations reveal that under S-rich growth conditions， Rb vacancy V_Rb is the most favorably formed acceptor-type defect， with a formation energy of 1.14 eV， and a transition levelε（0/-） locates 0.225 eV above the valence band maximum（VBM）. When the defects are formed during high-temperature growth and their concentration is fixed at 1 200 K followed by rapid quenching to room temperature， the hole concentration of the system can reach 5.78×10¹⁸ cm^-3， presenting stable p-type conductive characteristics at room temperature while maintaining good optical transparency.

Key words: RbYS₂; mechanical property; optical property; intrinsic defect; thermodynamic simulation; first-principle; density functional theory

中图分类号:

O469

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图/表 7

图1 RbYS2晶胞结构（a）和声子谱（b）

Fig.1 Unit cell structure （a） and phonon spectra （b） of RbYS2

图2 RbYS2能带图（a）和态密度图（b）

Fig.2 Band structure （a） and density of states （b） of RbYS2

图3 （a）介电函数的实部ε1（ω）与虚部ε2（ω）的变化关系；（b）不同厚度下的吸收系数α（ω）；（c）反射率R（ω）；（d）不同厚度下的透射率T（ω）

Fig.3 （a） Variation relationship between real partε1（ω） and imaginary partε2（ω） of dielectric function；（b） absorption coefficientα（ω） of different thicknesses；（c） reflectivityR（ω）；（d） transmittanceT（ω） of different thicknesses

表1 基于Voigt、Reuss、Hill三种经典平均方法，确定RbYS2材料的弹性模量、剪切模量、泊松比、普格比率

Table 1 Elastic modulus， shear modulus， Poisson ratio， and Pugh ratio of RbYS2 material determined based on three classical averaging methods： Voigt， Reuss， and Hill

Mechanical property	Voigt	Reuss	Hill
Elastic modulus/GPa	69.442	64.700	67.086
Shear modulus/GPa	28.146	25.851	26.997
Poisson ratio/GPa	0.237	0.251	0.242
Pugh ratio	1.548	1.678	1.608

图4 弹性模量（a）、剪切模量（b）和泊松比（c）在2D和3D中的函数可视化

Fig.4 Visualization of functions of elastic modulus （a）， shear modulus （b）， and Poisson ratio （c） in 2D and 3D

图5 RbYS2稳定存在的化学势范围（a）和富S条件下本征缺陷的形成能（b）

Fig.5 Chemical potential range （a） for the stable existence of RbYS2 and the formation energy of intrinsic defects under S-rich conditions （b）

图6 在富S条件下以温度为函数的费米能级（a）和空穴载流子浓度（b）

Fig.6 Fermi level （a） and hole carrier concentration （b） under S-rich conditions with temperature as a function

参考文献 38

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RbYS₂电子结构、光学性质及本征缺陷诱导p型导电性的第一性原理研究

First-Principles Study on Electronic Structure, Optical Properties, and Intrinsic Defect-Induced p-Type Conductivity of RbYS₂

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