编者按

半导体是现代最重要的材料，在很多前沿研究领域中总能看到半导体的身影。日常生活中，人们使用的各种电子产品 (如手机、电脑、电视机等)的核心部件都是由半导体制作。半导体技术也是目前我国“卡脖子”的关键难题之一，其中最核心的问题是缺陷与掺杂。众所周知，本征半导体是无法实际应用的，只有实现了可控掺杂后半导体才能制作实用器件。因此，半导体的缺陷与掺杂一直是科研领域的重要核心问题。

缺陷与掺杂中蕴含着丰富的物理内容。缺陷与掺杂的类型众多，包括原子替代、间隙掺杂、螺旋位错、表面/界面缺陷和原子插层等。这些缺陷与掺杂往往具有不同的物理特性，并且对半导体的电学性质、光学性质、力学性质、热学性质、磁学性质等方方面面都有广泛的影响。通过改变缺陷与掺杂可以实现对材料性能的有效调控，因此，缺陷与掺杂的研究在光伏、光催化、光电、热电、微电子等领域占据着重要地位。半导体的缺陷与掺杂虽然是一个传统的研究方向，但一直活跃在科研前沿.以往相关研究主要集中在其体相的静态性质，随着研究的深入，人们也逐渐从静态研究过渡到对其动力学以及非平衡态的研究，从体相研究扩展到表面、界面、晶粒间界的研究。近年来，除了传统半导体材料，各种新型材料如二维半导体、有机-无机杂化半导体等层出不穷。在这些新型半导体材料中，缺陷与掺杂往往表现出与传统半导体中不同的行为，研究这些新材料中的缺陷与掺杂可能揭示新奇的物理现象和物理机制。这些研究又进一步促进了人们对功能材料的物性调控，因此十分有必要向读者介绍该领域中的前沿研究进展。

受《物理学报》编辑部委托，我邀请了国内若干位活跃于缺陷与掺杂前沿研究的中青年学者撰文，对近年来半导体中缺陷与掺杂的部分热点进行深入的介绍，遂合成了本期专题。这其中既包括对该领域已取得的部分成果以及科研进展的短篇综述，也包括报道最新研究成果的研究论文。从研究内容上看，涵盖了缺陷与掺杂的静态以及动力学研究，探讨了太阳能电池、界面热传导、光电器件、铁磁矿磁性能、金属容器高压储氢中缺陷与掺杂的物理性质以及调控作用等等。受水平及时间所限，本专题所反映的研究现状难免挂一漏万，错失之处恳请各位同仁不吝指正。希望本专题能对国内缺陷与掺杂研究的学术交流做一点贡献。

客座编辑

马  杰

北京理工大学物理学院教授、博士生导师。

2004年毕业于中国科学技术大学。2004年至2010年在中国科学院物理研究所硕博连续，获得凝聚态物理博士学位。先后在美国再生能源国家实验室、美国劳伦斯伯克利国家实验室和新加坡科技研究局高性能计算所从事科学研究工作。2017年回国，入职北京理工大学，现任物理学院教授、博士生导师。研究方向为计算物理和凝聚态物理理论，主要从事半导体以及新能源材料领域的前沿研究工作，包括原子结构、电子结构、缺陷与掺杂、激发态以及动力学过程等物理问题的理论和计算模拟。

专题文章

综   述

界面工程调控GaN基异质结界面热传导性能研究

王权杰，邓宇戈，王仁宗，刘向军

物理学报.2023, 72(22): 226301

doi: 10.7498/aps.72.20230791

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摘要：GaN以其宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点在高频大功率电子器件领域有着巨大的应用前景。大功率GaN电子器件在工作时存在明显的自热效应，产生大量焦耳热，散热问题已成为制约其发展的瓶颈。而GaN与衬底间的界面热导是影响GaN电子器件热管理全链条上的关键环节。本文首先讨论各种GaN界面缺陷及其对界面热导的影响；然后介绍常见的界面热导研究方法，包括理论分析和实验测量；接着结合具体案例介绍近些年发展的GaN界面热导优化方法，包括常见的化学键结合界面类型及范德瓦耳斯键结合的弱耦合界面；最后总结全文，为GaN器件结构设计提供有价值参考。

钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响

王静，高姗，段香梅，尹万健

物理学报.2024, 73(6): 063101

doi: 10.7498/aps.73.20231631

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摘要：基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性，特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升，使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一。然而，近年来转换效率的增长步入缓慢阶段，同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战，这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关。为进一步提高电池效率和结构稳定性，必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性。本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响，包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响，论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性，并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望。

半导体缺陷的电子结构计算方法研究进展

李晨慧，张陈，蔡雪芬，张才鑫，袁嘉怡，邓惠雄

物理学报.2024, 73(6): 066105

doi: 10.7498/aps.73.20231960

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摘要：半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提。基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导。本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展。首先，介绍半导体缺陷计算的基本理论方法，讨论带电缺陷计算中由周期性边界条件引入的有限超胞尺寸误差，并展示相应的修正方法发展。其次，聚焦于低维半导体中的带电缺陷计算，阐述凝胶模型下带电缺陷形成能随真空层厚度发散的问题，并介绍为解决这一问题所引入的相关理论模型。最后，简单介绍了缺陷计算中的带隙修正方法及光照非平衡条件下掺杂与缺陷调控理论模型。这些工作可以为半导体，特别是低维半导体，在平衡或非平衡条件下的缺陷计算提供指导，有助于后续半导体中的掺杂和缺陷调控工作的进一步发展。

Kagome超导体AV₃Sb₅ (A = K，Rb，Cs)的掺杂效应

李永恺，刘锦锦，张鑫，朱鹏，杨柳，张钰琪，吴黄宇，王秩伟

物理学报.2024, 73(6): 067401

doi: 10.7498/aps.73.20231954

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摘要：Kagome材料为研究电子关联效应、拓扑物态、非常规超导电性和几何阻挫等新奇物理现象提供了良好的平台。最近，Kagome超导体AV₃Sb₅ (A = K，Rb，Cs)在凝聚态物理领域引起了广泛关注和研究，国内外多个课题组通过化学掺杂对其物性进行有效调控，为进一步理解和认识该体系材料提供了巨大帮助。本文综述了AV₃Sb₅掺杂研究的最新进展，对这一快速发展材料体系的掺杂效应进行了总结，以促进Kagome超导体AV₃Sb₅的进一步探索和研究。具体地说，回顾了CsV₃Sb₅中Nb，Ta Ti和Sn的原子掺杂，以及Cs，O等元素表面掺杂对材料量子效应和电子能带结构的影响，讨论了掺杂对物性调控的物理机制。为进一步理解和研究该材料体系的电荷密度波、时间反演对称性破缺、超导电性等丰富量子效应提供相关基础。

研究论文

MoS₂中S原子空位形成的非绝热动力学研究

王月，马杰

物理学报.2023, 72(22): 226101

doi: 10.7498/aps.72.20230787

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摘要：缺陷是半导体领域中最核心的问题。采用含时密度泛函方法，模拟了S原子脱离MoS₂晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为，发现该过程中存在显著的非绝热效应。非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷。随着S原子的初始动能增大，其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大，并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长。这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的。非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布，以及晶格中缺陷附近的电荷分布。此外，还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要，必须被考虑。本文阐明了MoS₂中S原子空位的形成机制，尤其是电子非绝热动力学的重要作用，为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础。

利用Li⁺插层调控WS₂光电器件响应性能研究

宋雨心，李玉琦，王凌寒，张晓兰，王冲，王钦生

物理学报.2023, 72(22): 226801

doi: 10.7498/aps.72.20231000

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摘要：过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质，在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景，是一类被持续关注的代表性二维层状材料。在材料应用过程中，对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能。因而，对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义。电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段。本文以WS₂为例，采用电化学离子插层方法对厚层WS₂的掺杂特性进行优化，观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍)，以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控。本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS₂器件光电响应的可逆可循环调节，为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础。

过渡金属元素掺杂对磁铁矿磁矩及磁各向异性的调控

任延英，李雅宁，柳洪盛，徐楠，郭坤，徐朝辉，陈鑫，高峻峰

物理学报.2024, 73 (6): 066104.

doi: 10.7498/aps.73.20231744

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摘要：磁性 Fe₃O₄ 纳米粒子在纳米医学领域展现出巨大的应用前景。饱和磁化强度和磁各向异性对于 Fe₃O₄ 纳米粒子在药物输送和磁热疗中的应用至关重要。在此，通过密度泛函理论计算，仔细研究了 3d 和 4d 过渡金属元素的掺杂对 Fe₃O₄ 磁矩及磁各向异性的影响。结果表明，Fe₃O₄中Zn和Cd的掺杂会增大总磁矩，而其他3d和4d过渡金属元素的掺杂会降低总磁矩。有趣的是，Cd 的掺杂也会大大增大磁各向异性。本文结果表明，掺杂 Cd 是提高 Fe₃O₄ 作为药物输送和磁热疗材料性能的可行方法。

元素掺杂对储氢容器用高强钢性能影响的第一性原理和分子动力学模拟

胡庭赫，李直昊，张千帆

物理学报.2024, 73 (6): 067101.

doi: 10.7498/aps.73.20231735

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摘要：高压气态储氢是当前氢能储运的重要方式，而高强钢材料则是储氢容器主要采用的材料之一。然而，其内部杂质元素和固有缺陷常导致其力学性能下降，从而降低了容器的承压能力和存储寿命。目前元素掺杂对于高强度钢力学性能的影响机制尚不完全明确，基于此，本文应用第一性原理计算模拟方法研究了Fe-M及Fe-C-M (M = Cr，Mn，Mo，As，Sb，Bi，Sn，Pb)体系中元素掺杂对其机械性能的影响。结果表明，Mn掺杂使得高强钢的弹性模量、体模量和剪切模量等增强，而其余元素的引入均使得高强钢的3种模量减弱，其中非过渡金属元素对3种模量的影响大于过渡金属元素。电子结构分析表明，过渡金属元素与Fe晶格有着更好的相容性。分子动力学模拟结果进一步显示H原子的注入显著地破坏了Fe多晶掺杂C，Cr，Mn元素体系的晶格有序性，而Cr元素的掺入则可以显著提升体系的位错密度。综上，本文探究了掺杂元素对单晶和多晶Fe力学性能的影响，对Fe基材料掺杂及缺陷对强度影响的机理研究具有较强的指导意义。

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