Thermodynamics, kinetics and electronic properties of point defects in β-FeSi2

文献情報

出版日 2019-04-18
DOI 10.1039/C9CP00755E
インパクトファクター 3.676
著者

Jun Chai, Chen Ming, Xiaolong Du, Pengfei Qiu, Yi-Yang Sun, Lidong Chen


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要旨

β-FeSi2, a semiconductor material made of two of the most earth-abundant elements, has important applications in thermoelectrics, photovoltaics and optoelectronics owing to its attractive properties such as suitable band gap and air stability over a wide temperature range. While point defects always play a vital role in semiconductor materials, only sporadic studies have been dedicated to the defects in β-FeSi2. Here, using first-principles calculations we systematically investigate the intrinsic point defects in β-FeSi2. Our results reveal that the formation energies of the intrinsic defects in β-FeSi2 are high enough to prevent them from forming in a significant concentration under thermal equilibrium growth conditions. As a possible kinetic process generating intrinsic defects, we study the α-to-β phase transition of FeSi2. We find that the phase transition is a slow process occurring on the time scale of an hour. Incomplete phase transition may lead to kinetically formed intrinsic defects. We further calculate the activation energies of the intrinsic defects and show that the experimentally observed conductivity of pure β-FeSi2 should be a result of unintentional doping. Possible extrinsic impurities that may lead to n-type and p-type conductivity and their activation energies are calculated, which are in good agreement with available experiments. Our results provide guidance for optimizing the doping strategy of β-FeSi2 for device applications.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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