Berechnungen aus ersten Prinzipien für Punktdefekte in Festkörpern

Punktdefekte und Verunreinigungen beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Materialien stark und haben einen entscheidenden Einfluss auf ihre Leistung in Anwendungen. Berechnungen aus ersten Prinzipien haben sich als mächtiger Ansatz entwickelt, der Experimente ergänzt und als prädiktives Werkzeug zur Identifizierung und Charakterisierung von Defekten dienen kann. Die theoretische Modellierung von Punktdefekten in kristallinen Materialien mittels elektronischer Struktur berechnungen, mit einem Schwerpunkt auf Ansätzen, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basieren, wird überprüft. Ein allgemeines thermodynamisches Formalismus wird aufgestellt, um die physikalischen Eigenschaften von Punktdefekten unabhängig von der Materialklasse (Halbleiter, Isolatoren und Metalle) zu untersuchen, wobei angegeben wird, wie die relevanten thermodynamischen Größen, wie Bildungsenergie, Entropie und Überschussvolumen, aus elektronischen Struktur berechnungen abgeleitet werden können. Praktische Aspekte wie der Superzellenansatz und effiziente Strategien zur Extrapolation auf den isolierten Defekt oder das verdünnte Limit werden diskutiert. Jüngste Fortschritte bei handhabbaren Approximationen des Austausch-Korrelationsfunktionals (DFT+U, hybride Funktionale) und Ansätze über DFT hinaus werden hervorgehoben. Diese Fortschritte haben weitgehend die langanhaltende Unsicherheit der Defektbildungsenergien in Halbleitern und Isolatoren beseitigt, die auf das Versagen der standardmäßigen DFT zurückzuführen sind, Bandlücken zu reproduzieren. Zwei Fallstudien veranschaulichen, wie solche Berechnungen neue Einblicke in die Physik und Rolle von Punktdefekten in realen Materialien geben.