Modelling of Defects in Semiconductors
Doctoral thesis, 2024

Defects, minute imperfections within crystals, greatly affect the properties of many materials. Understanding their influence is crucial for enabling innovation in the field of materials science. Computer modelling allows for the study of isolated defects, providing us with an important tool in this endeavour.

A substantial portion of this thesis focuses on defects in bismuth vanadate, a promising semiconductor material for photoelectrochemical oxygen evolution. We review the fundamentals of water splitting as well as the theoretical foundations of the applied computational methods. The native defects of the material are investigated with a particular emphasis on the oxygen vacancy. Our results highlight the structural complexity of these defects and the important role of charge localization in the defect chemistry of the material. Additionally, we show that oxygen vacancies distort the host lattice and make phase identification through X-ray diffraction challenging. Furthermore, we find that these vacancies reduce the overpotential required for oxygen evolution if present at the surface of the material and that cobalt doping influences their stability.

The thesis also covers the application of machine learning interatomic potentials to the study of defects. The fundamentals of machine learning, with a particular emphasis on neural networks, are reviewed. We develop a new approach to machine learning interatomic potential design, enabling the construction of such potentials capable of simultaneously describing defects in multiple excitation states, and apply it to a divacancy defect in silicon carbide. This defect can act as a single-photon emitter, making the optical properties of the defect itself highly interesting. We conduct large-scale machine learning-accelerated molecular dynamics simulations and extract the emission lineshape of the defect from the generated trajectories.

silicon carbide

bismuth vanadate

defect modelling

machine learning interatomic potentials

solar energy

electronic structure theory

color centers

semiconductors

molecular dynamics

PJ-salen, Origo
Opponent: Prof. Núria López, Institute of Chemical Research of Catalonia, Spain

Author

Nicklas Österbacka

Chalmers, Physics, Condensed Matter and Materials Theory

Influence of Oxygen Vacancies on the Structure of BiVO<inf>4</inf>

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 125(2021)p. 1200-1207

Journal article

Charge Localization in Defective BiVO<inf>4</inf>

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 126(2022)p. 2960-2970

Journal article

Accelerating water oxidation on BiVO<inf>4</inf> photoanodes via surface modification with Co dopants

Journal of Materials Chemistry A,; Vol. 11(2023)p. 16648-16658

Journal article

Spontaneous Oxygen Vacancy Ionization Enhances Water Oxidation on BiVO<inf>4</inf>

ACS Energy Letters,; Vol. 9(2024)p. 153-158

Journal article

Christopher Linderälv, Nicklas Österbacka, Julia Wiktor, and Paul Erhart. Optical lineshapes of color centers in solids from classical autocorrelation functions

Allt omkring oss består av små beståndsdelar: atomer. En bit kisel, till exempel, är helt enkelt en samling kiselatomer som bundits samman. Vilka atomer som bygger upp ett material bestämmer dess egenskaper. Ingenting i världen är dock perfekt, och det smyger sig ofta in små fel i materialens struktur när man tillverkar dem. Dessa så kallade defekter, som exempelvis kan innebära att några atomer saknas eller sitter på fel plats, kan ha en markant påverkan på materialens egenskaper. I denna avhandling studerar vi samspelet mellan defekter och material med hjälp av datorstödd simulering.

Huvudfokus ligger på vismutvanadat, som kan användas för att dela vattenmolekyler till vätgas och syre. Vi visar bland annat att syrevakanser, en typ av defekt som innebär att syreatomer saknas, kan förvränga materialet på ett vis som gör det svårare att identifiera vilken struktur man faktiskt lyckats framställa. Vi visar också att syrevakanser i materialets yta gör det lättare att dela vattenmolekyler. Detta skapar ny förståelse för vilken roll defekter kan spela i kemiska reaktioner på ytor.

Vi tittar även på kiselkarbid. Man hoppas kunna använda defekter i materialet för att konstruera exempelvis kvantdatorer. Vi introducerar en metod för att simulera dessa defekter med hjälp av maskininlärning. Detta låter oss utföra simuleringar som tar hänsyn till effekter som är svåra att hantera på andra vis. Detta kan på sikt hjälpa oss att nå djupare förståelse för denna typ av defekter.

Atomistic Design of Photoabsorbing Materials

Swedish Research Council (VR) (2019-03993), 2020-01-01 -- 2023-12-31.

Driving Forces

Sustainable development

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology

Energy

Materials Science

Roots

Basic sciences

Infrastructure

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Subject Categories

Materials Chemistry

Condensed Matter Physics

ISBN

978-91-8103-049-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5507

Publisher

Chalmers

PJ-salen, Origo

Opponent: Prof. Núria López, Institute of Chemical Research of Catalonia, Spain

More information

Latest update

5/8/2024 1