1. 软件简介

1.1. 功能介绍

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package) 1 2 3 4 5 是一款半导体缺陷和杂质性质的第一性原理计算模拟软件包，该软件包能针对输入的半导体晶体结构，基于材料基因组数据库和第一性原理软件包，自动计算并输出半导体的热力学稳定性，缺陷和杂质形成能及离化能级，半导体样品中缺陷、杂质和载流子浓度及费米能级，关键缺陷和杂质诱导的光致发光谱、载流子辐射和非辐射俘获截面及少子寿命。
热力学稳定性计算模块TSC（Thermodynamic Stability Calculation） ：读入半导体晶体结构，开展第一性原理结构和能量计算，通过访问Materials Project或调取本地材料基因组数据库获取化合物半导体的竞争相信息，根据数据库数据和计算结果，确定化合物半导体的关键竞争相，计算其热力学分解能、能使其纯相稳定的元素化学势范围，可以作为热力学稳定性判断和进一步缺陷和杂质性质计算的输入。
缺陷（杂质）能量计算模块DEC（Defect Energy Calculation） ：读入半导体晶体结构，构建近似立方的超原胞，基于对称性全面考虑各种缺陷和杂质构型，产生包含缺陷和杂质的超原胞，调用第一性原理软件开展结构优化、电子结构和能量计算；根据结果预测缺陷和杂质可能的离化带电状态，并进一步开展带电缺陷和杂质的计算。根据第一性原理计算结果和TSC模块的结果自动计算缺陷的形成能和离化能级，并自动计算各项误差修正。
缺陷（杂质）浓度计算模块DDC（Defect Density Calculation） ：读入TSC和DEC模块计算结果，预测不同化学势和温度条件下制备的半导体样品中各类缺陷和杂质的浓度、费米能级位置和载流子浓度，给出其随元素化学、制备温度和工作温度的变化。DDC计算结果可以用于确定半导体的关键缺陷和杂质，并与实验测量的浓度结果对比，为缺陷和杂质、载流子浓度调控提供定量依据。
载流子动力学计算模块CDC（Carrier Dynamics Calculation） ：读入DDC模块计算结果，确定关键的缺陷和杂质，基于费米能级信息确定关键的载流子激发态动力学过程，开展声子和电声耦合性质计算，据此进一步计算光致发光谱、载流子的辐射和非辐射俘获截面、速率等参数，结合缺陷和杂质浓度信息计算非平衡少子寿命。
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DASP的TSC，DEC，DDC和CDC模块的功能介绍。

针对任一半导体，DASP软件可以计算给出如下性质：热力学稳定性、元素化学势空间的稳定范围、缺陷（含杂质，下同）形成能、缺陷转变能级、各生长条件下的费米能级、载流子和缺陷浓度、缺陷的光致发光谱、缺陷对载流子的俘获截面、辐射和非辐射复合速率等。

1.2. 计算流程

(1) 准备输入文件：半导体结构文件 POSCAR 和DASP计算参数文件 dasp.in 。
(2) PREPARE：产生计算所需的VASP关键参数和输入文件。
(3) TSC：对目标半导体进行热力学稳定性计算，确定元素化学势的范围。
(4) DEC：计算缺陷形成能和转变能级（离化能级）。
(5) DDC：计算费米能级、载流子浓度和缺陷浓度。
(6) CDC：计算缺陷诱导的光致发光谱，载流子辐射俘获和非辐射俘获速率。
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DASP的计算流程图。

简而言之，所有计算只需要在准备好 POSCAR 和 dasp.in 这两个输入文件后，依次执行以下5条命令，即可完成所有计算：
dasp 1 （对应PREPARE）
dasp 2 （对应TSC）
dasp 3 （对应DEC）
dasp 4 （对应DDC）
dasp 5 （对应CDC）
在TSC计算时，可以通过 tsc-state 查询计算任务进展。在DEC计算时，可以通过 dec-state 查询计算任务进展。

1.3. 运行环境需求

1.3.1. 第一性原理计算软件：VASP

DASP软件需调用第一性原理计算软件包Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)来开展缺陷相关的结构和电子结构计算，因此，用户需要提供已经编译好的VASP可执行文件目录。

1.3.2. Materials Project与本地数据库

DASP软件包在安装的过程中，会通过 pip install 命令自动安装Pymatgen与mp-api。
在DASP运行过程中，程序将访问DASP安装包中内置的本地材料基因组数据库，或通过mp-api访问 Materials Project 在线数据库。若选择访问 Materials Project 在线数据库，用户须在 Materials Project 注册账号并获取API Key。
由于数据库的所有计算均采用VASP的2003版赝势文件，因此用户必须正确配置Pymatgen，使其匹配2003版的赝势库。
若用户未正确配置2003版赝势，DASP仍然可以运行并正确判断关键杂相和化学势的计算，但是无法快速判断材料的热力学稳定性。
具体的操作步骤如下：
1. 用户自行下载2003版的POTCAR文件。
2. 接下来的配置方法可参考pymatgen网站：https://pymatgen.org/installation.html，重点关注如下：

备注

After installation, do:

pmg config -p <EXTRACTED_VASP_POTCAR> <MY_PSP>

In the above, <EXTRACTED_VASP_POTCAR> is the location of the directory that you extracted the downloaded VASP pseudopotential files. Typically, it has the following format:

- <EXTRACTED_VASP_POTCAR>
|- POT_GGA_PAW_PBE  #（此处必须为2003版）
||- Ac_s
|||-POTCAR
|||-...

or

- <EXTRACTED_VASP_POTCAR>
|- potpaw_PBE   #（此处必须为2003版）
||- Ac_s
|||-POTCAR
|||-...

and follow the instructions. If you have done it correctly, you should get a resources directory with the following directory structure:

- psp_resources
|- POT_GGA_PAW_PBE
||- POTCAR.Ac_s.gz
||- POTCAR.Ac.gz
||- POTCAR.Ag.gz
...
|- POT_GGA_PAW_PW91
...

After generating the resources directory, you should add a VASP_PSP_DIR config variable pointing to the generated directory and you should then be able to generate POTCARs:

pmg config --add PMG_VASP_PSP_DIR <MY_PSP>

1.4. 使用范围

DASP软件能计算半导体和绝缘体的缺陷和杂质性质，因此，用户在计算之前需要通过能带计算检查目标材料是否有带隙。对于部分窄带隙半导体，GGA和LDA等交换关联近似可能造成带隙低估甚至消失，此时需要采用杂化泛函等开展计算（详见具体参数部分的level=2和3）。

1

Menglin Huang, Zhengneng Zheng, Zhenxing Dai, Xinjing Guo, Shanshan Wang, Lilai Jiang, Jinchen Wei, and Shiyou Chen. Dasp: defect and dopant ab-initio simulation package. Journal of Semiconductors, 43(4):042101, 2022. doi:10.1088/1674-4926/43/4/042101.

2

Menglin Huang, Zenghua Cai, Shanshan Wang, Xin-Gao Gong, Su-Huai Wei, and Shiyou Chen. More se vacancies in sb2se3 under se-rich conditions: an abnormal behavior induced by defect-correlation in compensated compound semiconductors. Small, 17(36):2102429, 2021. doi:10.1002/smll.202102429.

3

Menglin Huang, Shan-Shan Wang, Yu-Ning Wu, and Shiyou Chen. Defect physics of ternary semiconductor zn ge p 2 with a high density of anion-cation antisites: a first-principles study. Physical Review Applied, 15(2):024035, 2021. doi:10.1103/PHYSREVAPPLIED.15.024035.

4

Jinchen Wei, Lilai Jiang, Menglin Huang, Yuning Wu, and Shiyou Chen. Intrinsic defect limit to the growth of orthorhombic hfo2 and (hf, zr) o2 with strong ferroelectricity: first-principles insights. Advanced Functional Materials, 31(42):2104913, 2021. doi:10.1002/adfm.202104913.

5

Shiyou Chen, Aron Walsh, Xin-Gao Gong, and Su-Huai Wei. Classification of lattice defects in the kesterite cu2znsns4 and cu2znsnse4 earth-abundant solar cell absorbers. Advanced materials, 25(11):1522–1539, 2013. doi:10.1002/adma.201203146.