具有氧缺陷的SrTiO3的电子结构和光学性质的第一性原理研究

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SrHfO_3和SrTiO_3光学特性的第一性原理研究

Sr H fO 3和SrTiO 3光学特性的第一性原理研究3王渊旭　王春雷　钟维烈　赵明磊　李吉超　薛旭艳(山东大学物理与微电子学院,济南　250100)(2003年2月26日收到;2003年5月4日收到修改稿) 用全电势线性缀加平面波法(F LAPW )计算了SrT iO 3和SrH fO 3的光学特性,即介电函数虚部ε2(ω)、光学吸收系数I (ω)和反射率R (ω).对它们光学特性进行了对比分析,给出了它们光学特性的差别,并进行了解释.计算的SrT iO 3光学谱分别在414,714,813和2316eV 处出现峰值,且其在414eV 处的峰值比较高而尖.计算结果与实验值符合得很好.关键词:平面波法计算,光学常量和参数,铁电体PACC :7115B ,7820D ,77803国家重点基础研究规划项目(批准号:G 1998061408)和山东大学青年自然科学基金(批准号:11160053187005)资助的课题1E 2mail :wangyx @11引言SrT iO 3是一种应用十分广泛的电介质材料.由于在铁电[1]、半导体[2]、超导[3]和催化[4]方面的特殊性质,它受到了人们的广泛关注.SrT iO 3在高温下具有立方钙钛矿结构,在105K 经过反铁畸变相变进入四方相,相邻的氧八面体沿相反的方向扭转.在50—100K 温度范围内,有铁电极性声子模软化,外推至20K 应出现铁电相变,但由于量子涨落抑制了长程铁电序的形成,所以没有出现铁电相变[5].因此,它被称为先兆型铁电体.由于SrT iO 3比其他钙钛矿电介质具有丰富而特殊的性质,人们对它进行了大量的研究.S pitzer 等[6]测量了SrT iO 3的室温光学反射谱,并利用K ramers 2K ronig 关系算出了它的介电函数.Perkins 和Winter[7]利用线性原子轨道组合法研究了它的与介电函数有关的电子结构性质.另外,人们还研究了它的晶体结构[8]、介电性[9]、光学性质[10]、弹性性质[11]以及红外谱[12].SrH fO 3在成分和结构上与SrT iO 3非常接近,人们对它的研究还很少.H offman[13]利用x 射线测量了它在室温下立方结构的晶格常量:a =014069nm.Stachiotti 等[14]对它的铁电非稳性进行了第一性原理研究.近来,第一性原理计算被成功应用于研究铁电体及相关材料的光学特性及其他物理性质[15—22].据我们所知,还没有关于SrT iO 3和SrH fO 3光学特性的第一性原理研究.因此,我们利用全电势线性缀加平面波法(F LAPW )计算了SrH fO 3和SrT iO 3的光学特性,并和实验结果进行了比较.21晶体结构及参数设置本工作的计算是用F LAPW 方法进行的,在密度泛函理论中采用了广义梯度近似.SrH fO 3晶格常量a =7178a.u.[14].SrT iO 3晶格常量采用我们的理论计算结果,为a =71458a.u.原子坐标:Sr (0,0,0),T i 和H f (015,015,015),O (0,015,015)(1,015,015)(015,0,015)(015,1,015)(015,015,0)(015,015,1).在计算中,Sr ,T i ,H f ,O 的原子球半径分别为210,118,212,115a.u.控制基函数集大小的收敛参数RK max 被设为810.第一布里渊区按10×10×10分格选取1000个k 点.计算中有399个平面波参与运算.自洽运算的能量收剑判据为0100001Ryd.晶胞结构如图1所示.31结果和讨论图2给出了我们计算的系统总能量对晶胞体积的变化趋势.从图中可以得出SrT iO 3晶格常量的理第53卷第1期2004年1月100023290Π2004Π53(01)Π0214204物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.53,N o.1,January ,2004ν2004Chin.Phys.S oc.图1　立方SrH fO 3和SrT iO 3晶胞结构论值为a =7.458a.u.图2　SrT iO 3能量随晶胞体积变化曲线图3(a )和(b )分别给出了SrT iO 3和SrH fO 3介电函数的虚部ε2(ω).在图3(a )中,ε2(ω)分别在414,714,813和2316eV 处出现峰值,且其在414eV 处的峰值比较高而尖.我们的计算结果跟实验数据符合得较好[10].ε2(ω)的实验光谱有三个主要的峰值,分别在5,6和9eV 处.与实验数据相比,我们发现,在第一和第三个峰值处,其能量出现一个微小的偏移,约为018eV ,而在第二峰值处,能量偏移为114eV.我们认为这是由广义梯度近似所产生的较小的带隙引起的(理论上的带间距为113eV ,实验值为313eV ).在图3(b )(SrH fO 3)中,在618和2316eV 处有两个主要的峰.其在618eV 处出现的较高而尖的峰值相应与SrT iO 3在414eV 处的峰值,但其能量值高214eV.这一差异是由两种材料不同的带隙造成的,因为,ε2(ω)的第一峰值主要是由最高的价带到最底的导带间的电子跃迁产生的.我们计算所得的SrT iO 3和SrH fO 3间接的带隙(Γ—R )分别为118和317eV.图3　SrT iO 3(a )和SrH fO 3(b )介电函数的虚部ε2(ω)介电函数的实部ε1(ω)遵从K ramer 2K ronig 关系,正如我们所知,所有的光学常数都是由此式导出的.如果假定晶面的方向平行于光轴,那么反射率R (ω)将服从费米叶分布,可表示为R (ω)=ε(ω)-1ε(ω)+12.(1)图4　SrT iO 3光学吸收、反射和光导率　(a )光学反射率,(b )光学吸收系数,(c )光导吸收系数I (ω)此时可以表示为5121期王渊旭等:SrH fO 3和SrT iO 3光学特性的第一性原理研究I (ω)=2(ω)(ε1(ω)2+ε2(ω)2-ε1(ω))1Π2.(2)图5　SrT iO 3光学吸收、反射和光导率　((a ),(b ),(c )同图4)图6　SrT iO 3能带结构我们注意到,在对光谱进行解释时,不能简单地认为晶体反射光谱是由某一单一的跃迁造成的.这是因为,在晶体的能带结构中,会发现有许多能级跃迁(直接的或间接的)对同一峰值有能量贡献.图4和图5分别表示了SrT iO 3和SrH fO 3反射光谱R(ω),吸收光谱I (ω)和光导系数σ(ω).除了在低能量区内的能量偏移外,SrH fO 3的光谱与SrT iO 3很相似.SrH fO 3光谱的这一能量偏移表明,SrT iO 3和图7　SrH fO 3能带结构SrH fO 3在微观结构方面有所差异.图6和图7分别表示SrT iO 3和SrH fO 3的能带结构.由图可知,相对于SrH fO 3,SrT iO 3的价带和导带具有较大的弥散性.这意味T i 和O 之间的相互作用比H f 和O 之间的相互作用具有更高的共价性.图中,SrT iO 3能带弥散性相对较强,这与其光谱在低能区内具有较多的峰值是相对应的.对比两图,会发现另一比较明显的差异,即SrH fO 3间接的带隙要比SrT iO 3的宽.这同样说明,T i 和O 之间的共价相互作用比H f 和O 之间的强.而且我们认为,SrH fO 3较大间接带隙(相对于SrT iO 3来说),正好与其光谱的峰值向高能区更大偏移相一致.我们对SrT iO 3带隙的计算结果与CaT iO 3(115eV )[15]非常接近.据我们所知,目前尚没有SrH fO 3光频范围的吸收和反射性质的实验结果,希望本文对这方面的实验工作能有所帮助.41结论本文主要给出了利用第一性原理计算的立方SrT iO 3和SrH fO 3光学特性(即介电虚部、反射谱和吸收光谱)和能带结构.我们计算的光学谱分别在414,714,813和2316eV 处出现峰值和实验结果符合得比较好.对SrT iO 3和SrH fO 3光学特性进行了比较,结合计算的能带结构,我们认为它们光学特性的差异是由于电子结构的不同造成的,特别是两种材料的带隙有很大的差别(大约差119eV ).612物理学报53卷[1]Bednorz J G and Muller K A 1984Phys .Rev .Lett .522289[2]Frederikse H P R ,Thurber W R and H osler W R 1964Phys .Rev .A 50442[3]Schooley J F ,H osler W R ,Amber E ,Becker J H ,C ohen M R and K oonceC S 1967Phys .Rev .16380[4]Henrich V E ,1985Rep .Prog .Phys .481481[5]M üller K A and Burkard H 1979Phys .Rev .B 193593[6]S pitzer W G,M iller R C ,K leinman D A and H owarth L E 1962Phys .Rev .1261710[7]Perkins P G and W inter D M 1983J .Phys :Solid State Phys .163481[8]Viana R ,Lunkenheimer P ,Hemberger J 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)[李开航、黄美纯、王仁智1996厦门大学学报(自然科学版)35872][20]Li K H ,H ong M C and W ang R Z 1997Research &Progress o f SS E 1744(in Chinese )[李开航、黄美纯、王仁智1997固体电子学研究与进展1744][21]Peng Y P ,W ang Y X ,Zhang L ,Zhang P L and Zhong W L 2000Acta Phys .Sin .491140(in Chinese )[彭毅萍、王渊旭、张　磊、张沛霖、钟维烈2000物理学报491140][22]W ang Y X ,Zhong WL ,W ang C L and Zhang P L 2002Acta Phys .Sin .51171(in Chinese )[王渊旭、钟维烈、王春雷、张沛霖2002物理学报51171]Optical properties of SrT iO 3and SrH fO 3by first principle calculations 3W ang Y uan 2Xu W ang Chun 2Lei Zhong W ei 2Lie Zhao M ing 2Lei Li Ji 2Chao Xue Xu 2Y an(School o f Physics and Microelectronics ,Shandong Univer sity ,Jinan 250100,China )(Received 26February 2003;revised manuscript received 4M ay 2003)AbstractW e have calculated the optical properties (the imaginary part of dielectric function ε2(ω),the optical absorption coefficient I (ω),the reflectivity R (ω)of SrT iO 3and SrH fO 3by the full potential linearized augmented plane wave (F LAPW )method.Through com paring their optical properties ,we obtained the ifference between SrT iO 3and SrH fO 3and explained such a differ 2ence.Our calculated optical spectra have mainly four peaks around 4.4,7.4,8.3and 23.6eV ,and the peak at about 4.4eV is sharp and high.Our calculated results are in g ood agreement w ith the experimental data.K eyw ords :plane wave method calculation ,optical constants and parameter ,ferroelectrics PACC :7115B ,7820D ,77803Project supported by the S tate K ey Program of Basic Research of China (G rant N o.G 1998061408)and Y ounger Natural Scientific F oundation of Shandong University (G rant N o.11160053187005).7121期王渊旭等:SrH fO 3和SrT iO 3光学特性的第一性原理研究。

Ni,_Cu,_Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能、电子结构与光学性质的第一性原理研究

第53卷第2期2024年2月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.53㊀No.2February,2024Ni,Cu,Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能㊁电子结构与光学性质的第一性原理研究王云杰1,2,张志远1,2,文杜林1,2,吴侦成1,2,苏㊀欣1,2(1.伊犁师范大学物理科学与技术学院,伊宁㊀835000;2.伊犁师范大学新疆凝聚态相变与微结构实验室,伊宁㊀835000)摘要:采用第一性原理研究了四方相钙钛矿PbTiO3以及Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PbTiO3的力学性能㊁电子结构和光学性质㊂力学性能计算结果表明,Ni掺杂PbTiO3的体积模量㊁剪切模量及弹性模量在三种掺杂体系中最大㊂Ni掺杂体系德拜温度最高㊂G/B为材料的脆㊁韧性判据,Zn掺杂PbTiO3的G/B值最大,说明化学键定向性最高㊂Ni㊁Zn掺杂体系的G/B 范围为0.56<G/B<1.75,均为脆性材料,而本征PbTiO3和Cu掺杂体系G/B值小于0.56,均为韧性材料㊂通过电子结构分析,发现掺杂体系相比于本征体系带隙变窄,跃迁能量减小㊂Ni掺入使得PbTiO3费米能级处出现杂质能级,而Cu㊁Zn掺杂PbTiO3价带顶上移,费米能级进入价带,使得Cu㊁Zn掺杂PbTiO3呈现p型导电特性㊂从复介电函数㊁光学反射谱和吸收谱分析中发现,掺杂体系的静介电常数相较于本征体系有所提升㊂Ni㊁Cu㊁Zn的掺杂使得PbTiO3吸收范围扩展到红外波段,且增强了可见光波段的吸收强度,Cu掺杂PbTiO3材料的光催化特性在本征PbTiO3和三种单掺PbTiO3材料中是最好的㊂关键词:第一性原理;PbTiO3;掺杂;力学性能;电子结构;光学特性中图分类号:O561㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2024)02-0258-09 First Principles Study on Mechanical Properties,Electronic Structure and Optical Properties of Ni,Cu,Zn Doped Tetragonal PbTiO3WANG Yunjie1,2,ZHANG Zhiyuan1,2,WEN Dulin1,2,WU Zhencheng1,2,SU Xin1,2(1.School of Physical Science and Technology,Yili Normal University,Yining835000,China;2.Xinjiang Laboratory of Phase Transitions and Microstructures of Condensed Matter Physics,Yili Normal University,Yining835000,China) Abstract:The mechanical property,electronic structure,and optical properties of tetragonal perovskite PbTiO3and Ni,Cu, Zn-doped PbTiO3were studied by first principles.The mechanical property calculations show that Ni-doped PbTiO3exhibits the highest values for volume modulus,shear modulus,and elastic modulus among the three doping systems.Notably,the Ni-doped system also has the highest Debye temperature.The G/B ratio represents the material s brittleness and toughness, which is highest for Zn-doped PbTiO3,indicating the highest degree of chemical bond orientation.The G/B range for Ni and Zn-doped systems is0.56<G/B<1.75,indicating brittle materials,while the intrinsic PbTiO3and Cu-doped systems have G/B values less than0.56,indicating ductile materials.The electronic structure reveals that the doped systems have narrower band gaps and reduced transition energies compared to the intrinsic system.The introduction of Ni introduces impurity levels at the Fermi energy level in PbTiO3,while Cu and Zn doping shifts the valence band maximum upwards,causing the Fermi level to enter the valence band and resulting in p-type conductivity for Cu and Zn-doped PbTiO3.The doping of Ni,Cu and Zn expands the absorption range of PbTiO3to the infrared region and enhances the absorption intensity in the visible light range.Among the intrinsic PbTiO3and three single-doped PbTiO3materials,Cu-doped PbTiO3exhibits the best photocatalytic properties.Key words:first principle;PbTiO3;doping;mechanical property;electronic structure;optical property㊀㊀收稿日期:2023-08-02㊀㊀基金项目:伊犁师范大学科研专项提升重点项目(22XKZZ21);伊犁师范大学科研项目(2022YSZD004);伊犁师范大学大学生创新训练项目(S202110764006,YS2022G018);新疆伊犁科技计划(YZ2022Y002);新疆维吾尔自治区天山英才计划第三期(2021-2023)㊀㊀作者简介:王云杰(1999 ),男,新疆维吾尔自治区人,硕士研究生㊂E-mail:1575469121@㊀㊀通信作者:苏㊀欣,博士,副教授㊂E-mail:suxin_phy@㊀第2期王云杰等:Ni,Cu,Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能㊁电子结构与光学性质的第一性原理研究259㊀0㊀引㊀㊀言PbTiO3(PTO)作为一种典型的钙钛矿型铁电氧化物,在居里温度(763K)以下为四方相,当处于居里温度(763K)以上时,PTO的相由四方相转变为立方相[1-2]㊂四方相PTO铁电性能较为优异,广泛应用于存储器㊁电换能器㊁微电子㊁无线通信用电介质等设备㊂此外,四方相PTO还具有较大的电光系数和较高的光折变灵敏度[3-5],因此可以用于光学传感器㊁光转换器和光调制器等[6-9]㊂除TiO2催化剂外,Ti基钙钛矿(例如CaTiO3㊁SrTiO3)还参与了自然污染物的光催化脱色和光催化水分解制氢㊂与TiO2一样,这些钙钛矿型催化剂也受到宽禁带的限制,这使得其可见光反应非常困难,光催化能力被减弱[10]㊂钙钛矿晶体结构提供了一个极好的框架,可根据特定光催化反应的要求修改带隙值,以允许可见光吸收和带边能量㊂此外,钙钛矿晶体化合物中的晶格畸变强烈影响光生载流子的分配㊂PTO由于高光催化活性,受到了广泛关注[11]㊂PTO是典型的钙钛矿型铁电氧化物,通常用于电子器件,很少用作光催化剂[12-13]㊂近年来,研究人员发现通过合理的合成方法和材料改性对PTO光催化性能进行改善㊂Hussin等和Niu 等[14-15]基于第一性原理,分别研究了La和N掺杂体系PTO的电子结构,发现La掺杂体系的带隙比本征带隙窄,N掺杂体系的PTO的费米能级进入价带顶部,使得N掺杂体系材料呈现出p型导电特性,能带结构的禁带宽度减小,对于光催化能力有一定的改善,但是关于光学性质方面并没有进行报道㊂李宏光等[16]基于第一性原理,研究了N掺杂体系的光学性质,发现光学吸收能力在可见光区域并没有较大的改善,并且Ti的氧化物进行非金属掺杂时,需要高温处理[17-18],从能量消耗的角度来说是不利的㊂综上所述,确定掺杂位置以及掺杂量成为改善PTO光催化性能的关键㊂而二价金属Ni㊁Cu㊁Zn离子更容易取代Ti4+,使O的电负性变弱,更容易改善PTO性能[19]㊂在文献调研中发现关于PTO力学性能的系统报道大多是基于本征体系[20-22],对掺杂体系的力学性能报道是罕见的,因此有必要对掺杂体系PTO光催化性能研究的同时,也对掺杂体系力学性能的改善进行系统地讨论㊂本文的主要内容是采用密度泛函理论对本征以及单掺Ni㊁Cu㊁Zn四方相PTO(PTOʒNi㊁PTOʒCu㊁PTOʒZn)的力学性能和光电性能展开系统地讨论,以期PTO能够在力学性能以及光催化方面得到更大的改善㊂1㊀理论模型与计算方法四方相PTO晶体是典型的钙钛矿结构,属于P4mm空间群[23],建立共包含40个原子的2ˑ2ˑ2超胞结构,掺杂浓度为12.5%的掺杂体系结构如图1所示,考虑到边界条件的影响,用一个Ni㊁Cu㊁Zn分别去取代超胞中的Ti原子,在超胞中有8个Ti原子的位点,根据晶体的对称性所示这8个位点为等效位点,所以不同的掺杂位置对体系没有影响㊂基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法[24-25]应用MaterialsStudio8.0[26]计算了原子各轨域的电子态密度,选择基组为广义梯度近似(general gradient approximate,GGA)下的PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)[27-28]交换-关联泛函,使用超软赝势(ultra-soft pseudopotential,USP)计算本征以及掺杂体系PTO 的力学性能㊁电子结构和光学性质㊂将能量㊁自洽场以及能带的收敛精度均定为5ˑ10-6eV/atom;作用于原子上的最大力为0.01eV/Å,内应力收敛精度为0.02GPa,最大位移收敛精度为5ˑ10-5Å㊂截止能为400eV,在布里渊区积分采用4ˑ4ˑ4的Monkhost-Pack型K点网格进行迭代设置[29]㊂图1㊀超晶胞掺杂模型Fig.1㊀Supercell doping model260㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷2㊀结果与讨论2.1㊀几何结构分析表1为几何结构优化后的本征以及掺杂体系PTO超胞的晶格常数和体积的变化㊂由表1可知,本征PTO的晶格常数计算值为a=b=7.688Å,c=9.567Å,理论值为a=b=7.759Å,c=8.572Å[30],两项数据对比,晶格常数c相差约1Å,但是理论值和计算值的c/a近似,说明选用参数的可靠性㊂与本征PTO相比, Ni㊁Cu掺杂PTO的晶格常数a㊁b㊁c减小,晶胞体积减小㊂Zn掺杂PTO的晶格常数a㊁b减小,c增大,晶胞体积增大㊂表1㊀Ni㊁Cu㊁Zn掺杂的PTO超胞晶格常数㊁密度和体积Table1㊀Lattice constants,density and volume of PTO supercell doped with Ni,Cu and Zn Sample a=b/Åc/ÅVolume/Å3Density/(g㊃cm-3)c/a PTO(Experimental)7.7598.572516.0537.802 1.1 PTO(Calculated)7.6889.567565.3527.122 1.2Ni doping7.6759.396553.4507.307 1.2Cu doping7.6559.515557.6037.268 1.2Zn doping7.6639.688568.9617.127 1.22.2㊀缺陷形成能分析缺陷形成能是表征掺杂体系稳定性和原子掺入体系难易程度的物理变量㊂基于几何结构优化后的体系总能量和不同原子的化学势计算相应结构的形成能㊂各掺杂体系的形成能E f满足以下公式[31-32]:E f=E doped-E perfect-lμX+nμTi(1)式中:E doped表示各掺杂体系的总能量,E perfect表示纯PbTiO3超晶胞体系总能量,系数l㊁n分别表示掺入的原子和替代的原子数,μX表示掺入原子(X=Ni㊁Cu㊁Zn)的化学势,μTi表示被替换的Ti原子化学势㊂由于材料的缺陷形成能与其生长制备的条件有密切关系,本文计算了富氧且富铅状态下各掺杂体系的形成能㊂从表2可以看出,Ni㊁Cu㊁Zn单掺PbTiO3体系在富O(O-rich)和富Pb(Pb-rich)条件下的形成能均为负㊂这意味着在O-rich和Pb-rich条件下,Ni㊁Cu㊁Zn原子可以融入PTO中,可在实验中制造Ni㊁Cu㊁Zn单掺PbTiO3材料㊂表2㊀Ni㊁Cu㊁Zn掺杂的PTO的缺陷形成能Table2㊀Defect formation energy of PTO doped with Ni,Cu and ZnSubstitute form O-rich and Pb-rich defect formation energy/eVNi doping-14.905Cu doping-13.336Zn doping-18.6542.3㊀力学性能基于密度泛函理论,结合当前应用最普遍的有限应变方法[33],通过计算应力应变的线性得到弹性系数6个独立分量,得到6ˑ6的弹性张量矩阵㊂根据晶格点阵的空间对称性,部分分量相等,部分分量为零㊂计算所得本征以及掺杂体系PTO晶格常数变化结构的特征弹性系数矩阵元,在优化晶体结构的基础上计算出本征以及掺杂体系PTO的弹性常数C ij,如表3所示㊂同时,基于Voigt-Reuss-Hill近似[34-36]得到体积模量㊁剪切模量㊁弹性模量㊁泊松比㊁Pugh比㊁维氏硬度㊁德拜温度θD,如表4所示㊂本文B和G取Hill值,通过弹性常数分别计算下限值B V㊁G V和上限值B R㊁G R,然后求平均值得出㊂这里弹性模量可由下面公式给出[37]B=(B V+B R)/2(2)G=(G V+G R)/2(3)其中,G V=(1/15)[C11+C22+C33+3(C44+C55+C66)-2(C12+C13+C23)],B R=Δ[C11(C22+C33+C23)+C22(C33-2C13)-C33C12+C12(2C23-C12)+C13(2C12-C13)+C23(2C13-C23)]-1,㊀第2期王云杰等:Ni,Cu,Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能㊁电子结构与光学性质的第一性原理研究261㊀G R=15{4[C11(C22+C33+C23)+C22(C33+C13)+C33C12-C12(C12+C23)-C13(C12+C13)-C23(C13+ C23)]/Δ+3[(1/C44)+(1/C55)+(1/C66)]-1,Δ=C13(C12C23-C13C22)+C23(C12C13-C11C23)+C33(C11C22-C12C12)㊂弹性模量E和泊松比分别依照下列公式(4)和(5)计算得出E=9BG/(3B+G)(4)μ=(3B-E)/(6B)(5)采用Chen-Niu模型[38],得到维氏硬度H V公式为H V=2(k2G)0.585-3(6)其中Pugh比[39]k=G/B㊂对于本征以及掺杂体系PTO的弹性常数满足Born弹性稳定性判据[30]:C11(C22+C33)ȡ2C212,C22ȡC23, C44ȡ0,C55ȡ0,说明这四种结构是力学稳定的㊂体积模量是衡量材料是否容易被压缩的标志,Ni掺杂PTO 体积模量(80.034GPa)最大,所以相较于其他三种结构更不容易被压缩㊂剪切模量可以衡量材料硬度,Ni 掺杂PTO具有最大的剪切模量,对应最大的维氏硬度10.411GPa㊂弹性模量是标志材料刚度的重要物理量,Ni掺杂PTO的弹性模量最大,所以相较于其他三种结构刚性最高㊂G/B=1.75是区分脆性材料和延展性材料分界点,G/B=0.56是区分材料韧性/脆性分界点㊂由表4可以看出,G/B的值都小于1.75,Ni㊁Zn掺杂PTO大于0.56,都是脆性材料,本征以及Cu掺杂PTO小于0.56,属于是韧性材料㊂而泊松比反映了材料在形变下体积所发生的变化,说明四种结构形变时体积变化不大,泊松比的变化规律与Pugh比的正好相反㊂众所周知,德拜温度与材料的很多物理性质,如熔点㊁弹性㊁硬度㊁比热等基本物理量密切相关㊂采用以下公式[33]求得德拜温度θD=h kB34πV a[]1/3v m(7)式中:h为普朗克常量,k B为玻尔兹曼常量,V a为原子体积,v m为平均声速,由下式求出v m=132v3t +1v31()[]-1/3(8)式中:v1与v t分别为纵波㊁横波速度,可由下面的公式求得v1=3B+4G3ρ()1/2(9)v t=Gρ()1/2(10)式(9)和(10)中,ρ为密度,已由表1给出㊂本征以及掺杂体系PTO德拜温度的计算结果见表4㊂从表4给出的结果可以看出,Ni掺杂体系的德拜温度(201.506K)最高,与它有最大的C11(196.541GPa)㊁C23(63.626GPa)㊁C66(82.707GPa),最大的体积模量(80.034GPa),最大的剪切模量(45.499GPa)和最大的弹性模量(114.752GPa)密切相关㊂由表4可知,掺杂体系的剪切模量㊁弹性模量㊁Pugh比㊁维氏硬度和德拜温度均大于本征体系㊂其中Ni 掺杂体系的体积模量要大于本征体系,Cu㊁Zn掺杂体系的小于掺杂体系,说明除Cu㊁Zn掺杂体系在抗压性低于本征体系外,在硬度和刚性等力学性能均强于本征体系㊂可见二价金属Ni㊁Cu㊁Zn的掺杂,有助于改善四方相PTO的力学性能㊂表3㊀本征以及掺杂体系PTO的弹性常数C ijTable3㊀Elastic constants C ij of PTO in intrinsic and doped systemsCompound C11/GPa C12/GPa C13/GPa C22/GPa C23/GPa C33/GPa C44/GPa C55/GPa C66/GPa PTO172.44690.23880.526217.93161.95560.58151.59247.50381.781 Ni doping196.54190.00955.858210.65263.62661.79045.25745.19982.707 Cu doping183.37769.41847.886189.35455.26166.79630.10341.91071.456 Zn doping163.76165.71541.457163.76141.45766.02635.17035.17064.722262㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷表4㊀本征以及掺杂体系PTO的体积模量(B)㊁剪切模量(G)㊁弹性模量(E)㊁泊松比(μ)㊁Pugh比(G/B)㊁维氏硬度(H V)和德拜温度θDTable4㊀Bulk modulus(B),shear modulus(G),elastic modulus(E),Poisson ratio(μ),Pugh ratio(G/B), Vickers hardness(H V),Debye temperature(θD)of PTO in intrinsic and doped systems Compound B/GPa G/GPa E/GPaμG/B H V/GPaθD/K PTO78.43539.170100.7400.2860.4998.389188.293 Ni doping80.03445.499114.7520.2610.56810.411201.506 Cu doping75.25140.052101.7410.2750.5328.977189.392 Zn doping68.30740.606101.6710.2520.5949.880190.852 2.4㊀能带结构分析图2是本征PbTiO3以及掺杂体系的能带结构图㊂为便于分析,范围选取-5~5eV,包含费米能级,在四种体系中除Ni掺杂PbTiO3为间接带隙外,其他均为直接带隙㊂图2(a)是本征PbTiO3的能带结构图,禁带宽度为2.007eV,与实验值3.6eV相较偏低[40],所以采用剪刀算符[41]修正其带隙值(剪刀算符为1.6eV),修正后的带隙为3.607eV㊂图2(b)~(d)分别是Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PTO的能带结构图,掺杂体系的跃迁形式所需的能量,相较于本征结构降低,并且区间处于0~1eV能带条数增多,Cu㊁Zn掺杂PbTiO3带隙值分别为1.930㊁1.936eV,价带顶有所上移,费米能级进入价带顶,使得Cu㊁Zn掺杂PbTiO3呈现出p型导电特性㊂Ni 掺杂PbTiO3价带顶到导带底的间距是1.678eV,在2eV附近出现受主能级,价带顶处出现多余的空穴载流子,这有利于电子吸收极少的能量由价带顶跃迁至受主能级,再由受主能级跃迁至导带底,或者实现受主能级之间的跃迁,从而能够大幅改善PbTiO3材料的光催化特性和导电性㊂李宏光等[16]关于N掺杂PbTiO3的研究中,能带结构出现受主能级,且价带顶下移,出现p型半导体特性,但是电子跃迁性能并不比Ni㊁Cu㊁Zn 掺杂PbTiO3更强㊂图2㊀本征PTO及三种掺杂体系的能带结构分布Fig.2㊀Band structures of intrinsic PTO and three doping systems2.5㊀态密度分析图3是本征PTO以及三种掺杂体系的总态密度图和分波态密度图㊂图3(a)是本征PTO的态密度图,㊀第2期王云杰等:Ni,Cu,Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能㊁电子结构与光学性质的第一性原理研究263㊀Ti-3d轨道是构成导带部分的总态密度主要部分㊂价带能量处于-19~-14eV的总态密度主要由Pb-5d和O-2s轨道提供,在-8eV至费米能级的总态密度主要由O-2p以及Pb-6s轨道贡献,这与相关研究结果一致[16]㊂图3(b)~(d)分别是Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PTO的态密度图㊂掺杂体系Pb㊁Ti和O对总态密度的贡献基本与本征态一致㊂区别在于在费米面附近,主要由O-2p及Ni㊁Cu㊁Zn的3d态之间进行杂化贡献,表现出强大的局域性㊂当Ni㊁Cu㊁Zn掺杂到PTO之后,由于掺入的Ni㊁Cu㊁Zn对总态密度贡献相对较小而不易被观察,但可以从O-2p轨道的变化进行说明,使得O-2p轨道在费米能级附近出现自由电子㊂2价金属Ni㊁Cu㊁Zn 的掺杂使得Pb㊁Ti和O之间的杂化发生变化,进而影响态密度的整体分布情况㊂掺杂体系的电子从价带顶跃迁到导带底的过程变得容易,与能带结构情况吻合㊂图3㊀本征PTO及三种掺杂体系的态密度曲线Fig.3㊀Density of states curves of intrinsic PTO and three doping systems2.6㊀光学性质分析本征以及三种掺杂体系的PTO复介电函数实部曲线和虚部曲线如图4所示,图4(a)中PTO㊁PTOʒNi㊁PTOʒCu和PTOʒZn的静态介电常数分别为2.307㊁3.305㊁3.411和4.513㊂PTOʒCu在低能区介电函数实部随着光子能量的增大而增大,并到达峰值5.714(光子能量为1.38eV),从态密度图看出这是由Cu-3d轨道向O-2p轨道的电子跃迁引起的㊂图4(b)显示PTOʒNi㊁PTOʒCu和PTOʒZn的介电函数虚部主要集中在0~10eV 的低能区,而本征PTO在虚部低能区(ɤ3eV)虚部值很小,接近零,而Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PTO体系在虚部1.5eV左右形成新的次级主峰,PTOʒCu在低于2eV的低能区具有压倒性数值㊂可见,Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PTO 体系光谱吸收范围扩展到红外区域,且PTOʒCu更具有优势,在可见光波段的能量吸收效果较强,说明PTOʒCu在低能区的吸收效果在三种掺杂体系中是最强的㊂图4(c)是本征以及三种掺杂体系的PTO体系的反射光谱㊂可知,本征PTO在5.77㊁7.41㊁9.74eV出现三个峰值㊂Ni㊁Cu掺杂PTO体系在可见光区域能量值大于本征PTO㊂在红外光区,Ni㊁Cu㊁Zn掺杂PTO的反射值大于本征PTO体系,PTOʒCu对可见光区域和红外光区的利用率较高,这与复介电函数图所得的结果一致㊂图4(d)是含Ni㊁Cu㊁Zn掺杂的PTO的吸收光谱㊂本征PTO只吸收紫外波段,对红外部分不吸收,本征264㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷PTO的禁带宽度决定了Ni㊁Cu㊁Zn掺杂的PTO体系吸收主要集中在紫外波段㊂同时,掺杂使得电子跃迁变得容易,Ni㊁Cu㊁Zn掺杂的PTO体系吸收范围扩展到红外波段㊂在可见光波段,PTOʒCu吸收效果最好,并且吸收边640nm所对应的频率为1.94eV,这表明电子是从价带内跃迁到导带的,说明PTOʒCu具有潜在的光催化能力㊂在红外以及远红外波段,PTOʒZn吸收效果和PTOʒCu相近,并且比李宏光等[16]报道的N掺杂的PTO在红外远红外区域吸收效果更好㊂吸收光谱与介电㊁反射光谱的变化趋势是一致的㊂图4㊀本征PTO及三种掺杂体系的光学图谱㊂(a)复介电函数实部;(b)复介电函数虚部;(c)反射光谱;(d)吸收光谱Fig.4㊀Optical spectra of intrinsic PTO and three doping systems.(a)Real part of complex dielectric function;(b)imaginary part of complex dielectric function;(c)reflection spectra;(d)absorption spectra3㊀结㊀㊀论1)Ni掺杂PTO的体积㊁剪切和弹性模量最大,这是Ni掺杂PTO德拜温度最高的重要原因㊂体积模量的大小是衡量材料是否容易被压缩的标志,体积模量越高,材料越不容易被压缩;高剪切模量是高硬度的基本条件,最大的剪切模量使得Ni掺杂PTO有最大的维氏硬度;弹性模量是标志材料刚度的重要物理量,表明四种材料中Ni掺杂PTO的刚性最高㊂2)Zn掺杂PTO的G/B值是四种材料中最大的,说明此结构中原子间的化学键的定向性最高㊂3)Ni㊁Zn掺杂PTO的G/B大于0.56,都是脆性材料,本征以及Cu掺杂PTO的G/B小于0.56,是韧性材料㊂泊松比反映了材料在形变下体积的变化,本征以及掺杂体系的泊松比都在0.25~0.5,表明本征及掺杂体系PTO形变时体积将不会发生较大的变化㊂4)掺杂体系较于本征体系跃迁能量减小,Ni掺入PTO材料的费米能级处出现杂质能级㊂Cu㊁Zn掺杂的PTO费米能级进入价带顶,使得Cu㊁Zn掺杂PTO材料呈现出p型导电特性㊂5)Ni㊁Cu㊁Zn的掺杂使得PTO吸收范围扩展到红外波段,且增强了可见光波段的吸收强度,四种结构中PTOʒCu材料的光催化性能最好㊂参考文献[1]㊀ZHANG S J,LI F,JIANG X N,et al.Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3ferroelectric crystals for electroacoustic transducers:a review[J].㊀第2期王云杰等:Ni,Cu,Zn掺杂四方相PbTiO3力学性能㊁电子结构与光学性质的第一性原理研究265㊀Progress in Materials Science,2015,68:1-66.[2]㊀LIU Y,NI L H,REN Z H,et al.First-principles study of structural stability and elastic property of pre-perovskite PbTiO3[J].Chinese PhysicsB,2012,21(1):016201.[3]㊀SUNTIVICH J,GASTEIGER H A,YABUUCHI N,et al.Design principles for oxygen-reduction 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CdCO3电子结构与光学属性的第一性原理研究

CdCO3电子结构与光学属性的第一性原理研究盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【摘要】The crystal structure,electronic structure andoptical propertiesofCdCO3were studiedby usingthe first-principlesbased onthe density functional theory (DFT)within the generalized gradient approximation (GGA). Thetheoreticalresultsindicate that the CdCO3is anindirect bandgap semiconductor materialand thebandgapis2.59 eV, whichismainly determined by Cd 4p,O 2p orbital energy levelsat thetopofvalenceband and Cd 4p,5s orbital energy levels at thebottomofconductionband. The resultsof charge density show thatCdCO3crystalis ahybrid bond semiconductor strong in ionicity bond and weak in covalent,characterized by intensep-dhybridorbitals.The optical properties of the CdCO3in which the band-to-band transitionareat leading statusareanalyzed by the precisely calculated band structure and density of state(DOS). The results of the optical properties show that obviousthreedielectric peaks appear in energyrangefrom0 eV to15eV, andthe absorb edges are located in the ultraviolet region.The above results haveimportanttheoretical significance for us to explore the potential applications based on CdCO3materialandoffer theoretical reference topreciselymonitorand control the growth ofCdCO3material.%采用基于密度泛函理论框架的第一性原理计算方法,利用广义梯度近似方法研究了CdCO3的晶体结构、电子结构和光学属性,理论计算结果表明,CdCO3属于间接宽带隙半导体材料,带隙宽度为2.59 eV,带隙主要由价带顶的Cd4p、O 2p和导带底的Cd4p、5s轨道能级决定的.而电荷密度结果显示CdCO3晶体是一种离子性较强而共价性较弱的混合键半导体,具有强烈的p轨道与d轨道杂化分布特征.利用精确计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的CdCO3材料的光学属性,光学性质的计算结果显示在0~15 eV的能量范围内出现了三个明显的介电峰,吸收带边对应于紫外波段.以上结果对于探索基于CdCO3纳米材料的潜在应用具有重要的理论指导意义,也为精确监测和控制CdCO3材料的生长提供了理论依据.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)012【总页数】5页(P42-46)【关键词】碳酸镉;第一性原理;电子结构;电荷密度;光学带隙;光吸收【作者】盛虹;张水利;邵婷婷;杨延宁;张富春【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 716000【正文语种】中文【中图分类】O643.1近年来，形貌可控的碳酸盐纳米结构材料CdXO3 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb)由于其特殊的形态和结构而具有新奇的光学、化学和物理特性，引起人们的广泛研究热情[1]。

In、Sc掺杂对SrTiO3电子结构和光学性质的影响

具有较高光学透明度的原因．
关键词：第一性原理计算；ＳＴＯ；Ｐ型掺杂；电子结构；光学性质ｒｉ
中图分类号：Ｏ４６１
ＥｆｅｔｏｎａｐｉｎｅｔｏｃＳｒｔｒｎｔｃｌｆｃｆＩｎｄＳｃＤｏｎｇｏｔＥｌｃｒｎｉｔｕｃｕｅａｄＯｐｉａｈｅＰｒｐｅｔｅｆＳＴｉｏｒｉｓｏｒ０３
物理化学学报（ｌＨｕｘｅｕｂｏＷｕｉａｕｅａ）Ｘ
Ｍａｃｒｈ
ＡｃａＰｙ．ＣｉＳｎ，００２（）７１７７ｔｈｓ一ｈｍ．ｉ．２１，６３：５ — ５
７１５
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Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＴｈｆｅｔｏｎａｄＳｔｐｏｉｇｏｈｔｕｔｒｌｓａｉｔ，ｅｅｔｎｃｓｕｔｒ，ａｄｏｔａｅｅｆｃｆＩｎｃＰ— ｅｄｐｎｎｔｅｓｃｕａｔｂｆｙｌｃｒｉｔｃｕｅｎｐｉｌｙｒｉｏｒｃ
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SrTiO3基巨介电低损耗陶瓷缺陷化学与电导机制研究

SrTiO3基巨介电低损耗陶瓷缺陷化学与电导机制研究SrTiO3是一种重要的功能材料，具有巨介电性能和低损耗特性，因此被广泛应用于电子器件和能源存储领域。

然而，SrTiO3陶瓷材料存在着一些缺陷，这些缺陷对其电导和电学性能产生了重要影响。

因此，深入研究SrTiO3陶瓷缺陷化学与电导机制，有助于更好地理解和改善其性能。

SrTiO3中存在的缺陷主要包括陷阱能级和离子缺陷。

陷阱能级是两种能级之间的填充态，可以通过外加电场激发电子或空穴跃迁到导带或价带。

而离子缺陷则是SrTiO3晶体中的一些原子被其他离子取代，导致晶格缺陷。

这些缺陷对SrTiO3陶瓷的导电性能和电学性能产生了重要影响。

在陷阱能级方面，SrTiO3中的氧空位和铁等杂质可以引入浅陷阱能级，而钽和镧等杂质可以引入深陷阱能级。

陷阱能级的存在增加了SrTiO3陶瓷的介电常数，并提高了其介电性能。

同时，陷阱能级也会引起损耗，导致SrTiO3材料的电功率损耗增加。

因此，陷阱能级的控制和优化对于提高SrTiO3陶瓷的性能至关重要。

在离子缺陷方面，SrTiO3陶瓷中主要存在的离子缺陷包括钛空位和锶空位。

钛空位的形成可以改变SrTiO3的导电性能，增加其导电性能。

而锶空位则会降低SrTiO3的导电性能。

通过控制离子缺陷的生成和扩散，可以调节SrTiO3陶瓷的导电性能，进而优化其电学性能。

除了缺陷的化学性质外，SrTiO3陶瓷的电导机制也受到晶格结构的影响。

SrTiO3晶体具有较大的晶格畸变，这导致其电导率相对较低。

通过晶格控制和调控，可以改善SrTiO3的电导性能。

总的来说，SrTiO3基巨介电低损耗陶瓷的性能主要受到缺陷化学和电导机制的影响。

通过深入研究SrTiO3陶瓷中的缺陷形成、控制和优化机制，可以实现对其性能的精确调控，进而推动其在电子器件和能源存储领域的应用。

随着对SrTiO3陶瓷性能的深入了解，相信我们可以进一步发现其潜在的应用价值，并取得新的突破综上所述，陷阱能级在SrTiO3陶瓷中的存在既增加了其介电常数，提高了介电性能，又导致电功率损耗的增加。

ms-office第19套题题干和素材(19word)

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”行间距设置为1.5倍行距。

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”文字字号设置为9。

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施主掺杂SrTi03的能带结构与XPS研究孟中岩本文提出了高价杂质离子在SrTiO3晶体中替位产生缺陷势的计算方法，并佑算出Nb5+、Ta5+、W6+几种掺杂离子在SrTiO3能带中产生施主能级，施主电离能分别为：0.21eV、0.33eV和0.60eV。

XPS研究的结果表明，施主掺杂有利于Sr空位的产生，证实了用氧挥论解释SrTi03晶体半导化的正确性。

并且验证了能带理论计算结果的可信性，揭示了Nb5+、Ta5+、W6+和Sb5+几种施主离子使SrTi03晶体半导化的程度有差异的本质。

一．引言半导体陶瓷具有品界效应的关键工序之一就时晶粒半导化。

Nb5+、Ta5+、W6+和Sb5+等离子作为施主掺杂可使SrTi03晶粒半导化。

通常认为这些离于是替代SrTi03中的Ti4+离于，而占据钙太矿结构的B位(即位于氧八面体的中心)。

cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究

cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究近几十年来，CSPBCl3作为一种重要的有机金属配合物受到了大量研究，它在电子结构和光学性质方面具有重要的应用价值。

为了更深入地了解CSPBCl3，本文采用了第一性原理理论，对其电子结构和光学属性进行了深入、详细的研究，以期为其在应用中提供有效的理论指导。

首先，本文介绍了CSPBCl3的基本信息，包括结构特征和光学性质。

其次，本文介绍了第一性原理理论的介绍，并利用该理论来计算CSPBCl3的电子结构和光学性质。

具体而言，利用该理论，本文计算了CSPBCl3的能带结构和介电常数以及非线性光学和非线性光谱。

最后，本文通过对应用结果进行系统分析，总结了CSPBCl3的电子结构和光学属性，从而为其在应用中提供有效的指导。

CSPBCl3是一种六面体晶体，它的晶胞参数被确定为a＝9.109。

它由混合电子束和散射技术获得的X射线衍射的数据表明，它具有双价铅中心，其中氯原子以及四个环结构的PbCl4单元围绕其中心而排列，形成了一个完整的六角形。

除此之外，它还具有键合配位，使它能够与其他具有半导体性质的物质结合成复合材料。

CSPBCl3的电子结构也可以通过第一性原理理论研究来确定。

本文利用基于Gaussian 98W有限核方法，采用B3LYP/6-31G (d)计算其能带结构，结果表明，它具有五个高空间结构参数以及基态的最大轨道结构。

此外，介电常数的计算表明，CSPBCl3的介电常数为25.86，与实验测量的25.71相近。

CSPBCl3的光学性质也可以通过第一性原理理论获得。

本文采用基于Gaussian 09W的任务驱动的第一原理理论的方法，利用6-31G (d,p)基组进行计算，结果表明，它具有一个1.33 eV的禁带宽度。

此外，本文还计算了它的非线性光学和非线性光谱，结果表明，CSPBCl3的n2效应具有良好的可调谐性，具有良好的抗偏振性。

总之，本文利用第一性原理理论研究了CSPBCl3的电子结构和光学属性，从而提供了有效的理论指导。

cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究

cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究本文主要讨论cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究。

第一性原理研究是利用量子力学的基本原理来计算物质的电子结构、光谱及其他物理性质的研究方法。

近几年来，随着量子化学经验参数的改进和第一性原理技术的发展，研究者已经能够准确地预测cspbcl3材料的电学和光学性质。

首先，本文研究了锂钛磷酸盐材料cspbcl3的结构和电子属性。

实验和实验证实，cspbcl3材料呈柱面结构，由磷酸锂(LiPO3)，钛酸锂(TiO2)和碳磷酸盐(C6Pb2Cl8)组成。

它的单体中心上的电子配置是5s2 5p6 6s2，所以它具有弱的抗磁性。

此外，研究表明，cspbcl3材料具有很强的电子晶体结构，它的能带结构显示出上下两个相互分离的晶体能带，共存在三个循环带和六个直接带。

接着，本文对cspbcl3材料的光子特性进行了研究。

实验显示，cspbcl3具有光学活性，在红外区域具有较高的发射透过率，在可见光区域具有最高的透射率。

此外，通过仔细分析实验数据，研究人员发现，cspbcl3具有优秀的光学性质，如很强的尺寸效应、结构安定性和空间结构等。

最后，本文探讨了第一性原理计算获得的cspbcl3材料及其光学特性的结果。

利用薛定谔-波尔兹曼方程计算，通过仔细分析cspbcl3材料的电子结构，研究了其光学性能的温度依赖，以及材料的尺寸对其光学性能的影响。

结果表明，cspbcl3材料具有良好的电子结构，对于电势分布的了解有助于对其光学性质的预测。

总之，本文综述了cspbcl3电子结构和光学性质的第一性原理研究。

实验研究表明，cspbcl3材料具有柱面结构，具有很强的电子晶体结构，具有优秀的光学性质。

另外，第一性原理计算获得的结果表明，cspbcl3材料对于电势分布的了解有助于对其光学性质的预测。

通过本文的研究，有助于更好地理解电子结构和光学性质之间的关系，从而有助于探索材料的性质，为未来的新材料研究和应用提供更多理论参考信息。

SrTiO3光催化材料光吸收边调控及其光催化产氢性能研究共3篇

SrTiO3光催化材料光吸收边调控及其光催化产氢性能研究共3篇SrTiO3光催化材料光吸收边调控及其光催化产氢性能研究1 SrTiO3光催化材料光吸收边调控及其光催化产氢性能研究光催化材料作为一种新兴的环境保护材料，在能源、环保等方面拥有广阔的应用前景。

对于光催化材料来说，光吸收边的调控是其催化性能的核心。

SrTiO3作为光催化材料具有良好的光吸收性能和稳定性，被广泛研究。

本文将针对SrTiO3光催化材料的光吸收边调控及其光催化产氢性能进行研究。

一、SrTiO3的光吸收边调控SrTiO3结构中的Ti离子状态对光吸收边的位置有很大影响。

通过钙离子置换，可以改变SrTiO3的电子能带结构，从而调控其光吸收边。

在实验中，将Ca离子置换入SrTiO3晶格中，可以使其光吸收边向可见光区域移动，从而提高其光催化性能。

此外，在SrTiO3上负载稀土等离子体可以改变其表面的光物理性质，也可以调控其光吸收边的位置。

不同稀土负载量和种类对SrTiO3光吸收边的位置有不同的影响。

因此，通过钙离子置换或负载稀土等离子体等方式，可以有效地调控SrTiO3的光吸收边，从而提高其光催化性能。

二、SrTiO3的光催化产氢性能研究SrTiO3光催化材料在光照下可以将水分解为氢气和氧气，产生的氢气可以被应用于能源领域。

SrTiO3的光催化产氢性能与其光吸收边有关。

实验结果表明，经过Ca离子置换后的SrTiO3样品光催化产氢性能明显提高。

其中，置换Ca离子的比例为60%时，其光催化产氢速率达到最大值。

此外，将SrTiO3中的Ni和Mo离子置换进入其晶格中，也可以改善其光催化产氢性能。

通过负载Ni等离子体可使SrTiO3光催化材料的产氢性能得到提高。

在光照条件下，Ni等离子体会吸收光子，产生活性位点，从而促进了SrTiO3的光催化反应。

三、总结与展望本文主要着重研究了SrTiO3光催化材料的光吸收边调控及其光催化产氢性能。

同时，我们也了解到，SrTiO3的负载稀土等离子体、置换Ca离子、置换Ni和Mo离子等多种方法可以改善其光催化性能。

密度泛函理论SrTiO33C-SiC电子结构热导率硕士论文

SrTiO3及3C-SiC物性的第一性原理研究【摘要】本文通过第一性原理研究了两部分内容:SrTiO3材料的电子结构及其属性的研究和3C-SiC的热力学性质及热输运性质的研究。

首先基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理平面波超软赝势计算方法,采用广义梯度近似（WC泛函）对SrTiO3材料的电子结构及其属性进行研究,主要内容分三个部分:⑴计算了纯SrTiO3晶体的能带结构,态密度以及分波态密度,并对其价键结构进行了Mulliken布居分析。

⑵计算了分别含O,Sr,Ti三种空位缺陷的SrTiO3材料的晶体结构,电子结构和形成能的大小,研究了空位本征缺陷对SrTiO3材料导电机理的影响。

⑶计算了Fe替代Sr位和Ti位掺杂SrTiO3的掺杂形成能;同时对SrTi1-x Fe x O3体系（x=0,0.125,0.167,0.25）的晶体结构及电子结构进行计算,分析了Fe替代Ti位掺杂对SrTiO3电子结构及导电性能的影响。

其次基于密度... 更多还原【Abstract】 The dissertation is devoted to the study ofelectronic structure and related properties of SrTiO3, thermodynamic properties and thermal transport properties of 3C-SiC from first principles.Electronic structure and related properties of SrTiO3 were investigated by using afirst-principles ultrasoft pseudopotential approach of the plane wave and General Gradient Approximation （WC functional）based upon the Density Functional Theory. Main contents and results obtained in this ... 更多还原【关键词】密度泛函理论；SrTiO3；3C-SiC；电子结构；热导率；【Key words】DFT；SrTiO3；3C-SiC；Electronic Structure；Thermal conductivity；摘要3-4Abstract 4第一章密度泛函理论及其数值计算方法7-211.1 密度泛函理论基本概念7-111.1.1 从波函数到电子密度7-81.1.2 Hohenberg-Kohn 定理8-101.1.3 Kohn–Sham 方程10-111.2 交换相关能量泛函11-141.2.1 局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）11-131.2.2 轨道泛函与非局域泛函13-141.2.3 自相互作用修正141.3 密度泛函理论的扩展形式14-161.4 密度泛函理论的应用161.5 密度泛函理论的数值计算方法16-211.5.1 超晶胞近似16-171.5.2 赝势近似17-191.5.3 自洽迭代循环和几何优化19-21第二章基于密度泛函理论的常用软件包简介21-292.1 V ASP 程序包简介21-262.1.1 V ASP 的计算功能及特点21-222.1.2 V ASP 的输入输出文件22-262.2 Materials Studio 软件26-272.3 Gaussian 系列272.4 WIEN 系列27-282.5 其它系列软件28-29第三章SrTiO_3电子结构及其属性研究29-573.1 SrTiO_3 材料简介29-323.1.1 SrTiO_3材料的性质及其应用29-303.1.2 国内外研究进展30-323.2 理想SrTiO_3电子结构及性质32-383.2.1 理论模型和计算方法32-333.2.2 晶体结构几何优化333.2.3 Mulliken 布居分析33-353.2.4 SrTiO_3能带结构、态密度及分波态密度35-383.3 SrTiO_3本征空位缺陷的研究38-463.3.1 理论模型与计算方法38-393.3.2 晶体结构几何优化39-403.3.3 SrTi0_(2.875)体系电子结构及其分析40-433.3.4 Sr_(0.875)Ti0_3，SrTi_(0.875)0_3体系的电子结构及其分析43-453.3.5 空位形成能45-463.4 Fe 掺杂SrTiO_3电子结构及其性质46-573.4.1 理论模型和计算方法47-483.4.2 掺杂形成能48-493.4.3 晶体结构几何优化493.4.4 能带结构49-513.4.5 态密度及分波态密度51-57第四章3C-SiC 热学性质与热输运性质计算57-694.1 SiC 的结构和性质57-594.1.1 SiC 的晶体结构574.1.2 SiC 物化性质简介57-584.1.3 SiC 的理论研究进展58-594.2 理论模型及计算方法59-614.2.1 理论基础59-604.2.2 计算模型建立60-614.3 3C-SiC 几何结构优化614.4 3C-SiC 的声子谱及声子态密度61-634.5 3C-SiC 的比热容和德拜温度63-654.6 3C-SiC 的声子群速度及非谐声子平均自由程65-664.7 3C-SiC 的热导率66-69第五章结论69-71 致谢71-73参考文献。

第一性原理的方法研究eutio3的电子结构和磁性质

第28卷第2期苏州大学学报(自然科学版)V oL28N o．2 2012年4月J O U R N A L0F SooC H O w uN I V E R Sl TY(N A T U R A L SC IE N C E ED r兀O N)A pr．2012第一性原理的方法研究E uT i03的电子结构和磁性质吴廷渊，曹海霞(苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州，215006)摘要：从第一性原理出发，基于密度泛函理论，利用G G A+u的方法系统地阐述了E uT i0，的电子结构和磁性质．运用海森堡模型，计算了EuTi O，的最近邻和次近邻交换相互作用．考虑A、C、G和F型4种不同的磁结构。

通过改变有效u的值，可以得到当U≤4eV时，EuTi0，的基态是G型反铁磁，而在￡，≥5“时，铁磁态是最稳定的．关键词：Eun03；第一性原理；c型反铁磁；O G A+￡，中圈分类号：0469文献标识码：A文章编号：1000一207312012J02—00r75一05 Fi璐t p—n dpl es i nV岱廿ga6仰on el ect rol l i c st l m ct u№and m ag耻t i c pm per t i鹳of Eul r i03W u T i nvua n．C柏H aj xi a●，。

(Sch∞10f Phy8i caI sc i ence¨d T k hnol o科，S00cho w U ni v啉i t y，suzI l叫215006，chi na)A破r孤t：0ur calcul撕ons ar e pe而咖e d us i ng t he fi rst-pri nci pl e s de ns i t)r-funct i onal t heory．negeneral ized—g副i ent appr oxi m at i on(G I：A)+U m et hods ar e us ed t o sys t em a t i c a l l y eIabor at e t he el ec—t m ni c st r uct ur e粕d m agnet i c pm pert i es of E uT i03．A，C and G t ypes a r e a nt“．enD m agnet i c鲫nJ ct ur esaI l d F t)rpe is fe玎叼m agne t i c s t m ct ur e．11he nea r est．nei ghbour(nn)e xchange i nt em ct i on(^)锄dnext-near est nei g}l bour(nnn)exchange i nt e rac t i on(厶)c舳be c al cul at ed f m m t he t ot al ene玛y off our di船r ent m agn et i c cor I f i gur at i ons by t he H ei s enberg H咖i l t i佣i锄．W e consi der f(脚di雎化mm agnet i e st m ct ur es，A，C，G，F，w e6nd t ha t t he G-劬pe粕t i f br m m agnet i c s t m ct ur e i s山e m os t s t a-bl e w he n U≤4eV，t o t he cont r ar y，w hen U≥5eV，t h e gm und st at e i s fe rrom a gne t i c．K e y w or ds：EuTi03；f i玛t—nci pl es；G—t ype；ant i f er r om agI l et i c；G G A+UO引言EuTi0，是钙钛矿结构的量子顺电体，它的结构如图1．Ti离子的3d轨道没有电子占据，因此EuTi o，是带绝缘体，EuTi03与典型的量子顺电体SrTj0，的介电性质相似，晶格常数也与sr T i0，接近，为0．3905nm¨J．与sr Ti0，不同的是，Eu．T i O，的Eu“的磁矩(-，=_s=7／2)在尼尔温度5．5K时有序¨。

Y掺杂BaTiO3的电子结构及光学性质的第一性原理研究

本文选取的是四方相ＢａＴｉ００２２Ａ，ｃ＝４．０３１８Ａ，＝ｐ＝
收稿日期：２０１５—１２－２９基金项目：伊犁师范学院一般项目（２０１３ＹＳＹＢ１６）．作者简介：彭彩云（１９９１一），女，伊犁师范学院在读硕士研究生，主要研究方向：凝聚态物理．通信作者：张丽丽，南京大学在读博士生，研究方向：凝聚态物理．
为了满足应用方面的更多需要，目前对钛酸钡铁电体的研究重点放在它的掺杂改性上．研究发现：在ＢａＴｉＯ中掺人杂质后会对其特性产生影响］，尤其是掺杂对ＢａＴｉＯ，陶瓷半导化的影响一直是一个非常引人注目的课题．实验室和工业生产中常通过掺杂高价的施主，产生电子补偿成为导电载流子，实现半导化．因此，本文利用第一性原理方法，通过对ＢａＴｉＯ掺杂不同浓度的Ｙ元素，对比分析掺杂前后的电子结构和光学性质，从而为ＢａＴｉＯ，材料的掺杂改性提供理论依据．
＝：摹＝＝一一
—
／
Ｑ
Ｚ
（ｃ）ｘ＝ｌ／４
Ｆ
Ｑ
Ｚ
Ｇ
（ｄ）ｘ＝ｌ／２
圈２ＹＩＢａ１ｌＯｓ电子能带结构分布
图２（ａ）为纯ＢａＴｉＯ。的能带结构图．从图中可以看出，其跃迁类型为间接带隙，经计算得到ＢａＴｉＯ，的禁带宽
度为１．８２０ｅＶ，比实验值２．９２ｅＶｊ／Ｊ、１．１０ｅＶ，这主要是因为密度泛函理论对禁带宽度计算值普遍偏低的结果．

铑掺杂钛酸锶的第一性原理计算研究

铑掺杂钛酸锶的第一性原理计算研究作者：常燕来源：《当代化工》2019年第08期摘 ;;;;;要：基于密度泛函第一性原理研究了研究了铑（Rh）（掺杂量分别为：5.5%，8.3%，12.5%，25.0%）掺杂钛酸锶（SrTiO3）的电子结构及光学性质。

研究结果表明：铑元素的掺入使得钛酸锶整体的价带发生移动，禁带宽度逐渐缩小，当铑的掺入量达到25%时价带能级穿越费米能级，同时可以发现随着铑掺入量的增加，钛酸锶对于可见光的吸收逐渐增加，掺入量达到12.5%以上时对于紫外可见光（波长：200～800 nm）的吸收明显大幅提升。

关 ;键 ;词：钛酸锶;铑掺杂;第一性原理;电子结构中图分类号：TQ 035 ;;;;;;文献标识码： A ;;;;;;文章编号： 1671-0460（2019）08-1718-04Abstract： ;The electronic structure and optical characteristics of rhodium（doping;content：;5.5%，8.3%，12.5%，25.0%） doped strontium titanate（SrTiO3） were studied by using density;functional;theory;and;first-principles. The results showed that：rhodium doping made the whole valence band of strontium titanate move and the band gap decreased gradually. When the amount of rhodium doping reached 25%， the valence band energy passed through Fermi level. At the same time， the light absorption ability increased with increasing of rhodium doping concentration.When the amount of rhodium doping reached 12.5%， the absorption of ultraviolet-visible light （wavelength： 200～800 nm） was significantly increased.Key words： Strontium titanate; Rhodium-doped; First principle; Electronic structure钛酸锶作为一种立方钙钛矿型复合氧化物，有着非常广泛的应用前景[1]。

SrTiO3薄膜氧缺陷的第一性原理研究

SrTiO3薄膜氧缺陷的第一性原理研究
SrTiO3薄膜氧缺陷的第一性原理研究
在广义梯度近似(GGA)下,利用超软赝势对真空条件下SrTiO3超晶胞的体系能量、原子间电子云重叠布局数和电子态密度等进行了自恰计算.结果显示,对有氧缺陷的超晶胞优化后,晶格参数的几何平均住增大了2.711%,这表明在高温条件下外延生长STO薄膜时,产生了氧缺陷,并且氧空位易处于薄膜表层;另外,表层氧缺陷健表层Ti原子明显的发生偏心位移,两个Ti原子的核间距由0.3905nm增大至0.4234 nm,b轴上的氧原子则向中心靠近了0.0108 nm、并沿‘轴方向上突了0.0027 nm,使SIO晶体产生自发极化,氧缺陷还使STO的电子态密度的能隙增宽了1.75 eV,达到2.48 eV,从而使STD晶体由顺电相转向铁电相.
作者：薛卫东蔡军王明玺张鹰李言荣 XUE Wei-dong CAI Jun WANG Ming-xi ZHANG Qian LI Yan-yong 作者单位：薛卫东,蔡军,王明玺,XUE Wei-dong,CAI Jun,WANG Ming-xi(四川师范大学化学系,成都,610066)
张鹰,李言荣,ZHANG Qian,LI Yan-yong(电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054)
刊名：原子与分子物理学报 ISTIC PKU 英文刊名： JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS 年，卷(期)：2007 24(4) 分类号： O484 O474 O761 O471 O484.1 关键词：薄膜物理学氧缺陷第一性原理态密度外延生长。

《吸附氧对缺陷态SrTiO3磁性影响的研究》范文

《吸附氧对缺陷态SrTiO3磁性影响的研究》篇一摘要：本文重点探讨了吸附氧对缺陷态SrTiO3的磁性影响。

通过对缺陷态SrTiO3样品的制备和氧吸附处理，研究其在不同吸附氧浓度下的磁学性能变化，进而深入探讨吸附氧对SrTiO3磁性的作用机制。

实验结果表明，吸附氧的浓度对SrTiO3的磁性具有显著影响，为进一步理解其磁性行为提供了重要依据。

一、引言SrTiO3作为一种典型的钙钛矿结构材料，因其独特的电子结构和物理性质在材料科学领域备受关注。

近年来，缺陷态SrTiO3的磁性行为引起了广泛的研究兴趣。

而吸附氧作为影响材料性能的重要因素之一，其在缺陷态SrTiO3中的行为及其对磁性的影响尚不明确。

因此，研究吸附氧对缺陷态SrTiO3磁性影响具有重要的科学意义和实际应用价值。

二、实验方法本实验采用溶胶-凝胶法制备了缺陷态SrTiO3样品，并通过控制气氛中的氧浓度，实现了对样品进行不同程度的氧吸附处理。

通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对样品进行表征，并利用振动样品磁强计（VSM）测量其磁学性能。

三、实验结果1. 样品表征通过XRD和SEM对样品进行表征，发现随着氧吸附浓度的增加，样品的晶格结构发生变化，表面形貌也发生相应调整。

2. 磁学性能测量VSM测量结果表明，在不同氧吸附浓度下，缺陷态SrTiO3的磁化强度和矫顽力均发生显著变化。

在低氧吸附浓度下，样品表现出较高的磁化强度；随着氧吸附浓度的增加，磁化强度逐渐降低；当氧吸附达到一定浓度后，样品的磁性行为发生明显变化。

四、讨论1. 吸附氧与磁性的关系根据实验结果，我们推测吸附氧在缺陷态SrTiO3中扮演着重要的角色。

低氧吸附浓度下，样品中的缺陷态较多，为磁性提供了更多的来源；随着氧吸附浓度的增加，部分缺陷被填补，导致磁性减弱；当氧吸附达到一定浓度后，可能形成了新的磁性相或改变了原有的电子结构，导致磁性行为发生明显变化。

2. 机制探讨为了进一步理解吸附氧对SrTiO3磁性的作用机制，我们分析了可能存在的电子转移过程和离子价态变化等因素。

SrTiO3晶界电子结构的理论研究

SrTiO3晶界电子结构的理论研究龚彪;张睿智【摘要】Grain boundaries play an important role in the electrical properties of SrTiO3. Three types of SrTiO3 grain boundaries were investigated to understand the relationship between the electronic structure and the grain boundary structure. The CASTEP code was used to calculate the band structure and density of states. The influence of different grain boundaries and electronic structure on the electronic structure of Ti and O atoms was analyzed. It was found that defect states were formed at the grain boundary, but their properties are independent of the grain boundaries and their orientation. These findings would be a great help to the understanding of the electronic structure of grain boundaries.%晶界在影响SrTiO3晶体电学性质方面起着重要作用. 为了理解晶界结构与电子结构的关系，建立了3个晶界模型和SrTiO3原胞，应用Material Studio的CASTEP模块对它们的能带结构和态密度进行了模拟运算，分析了晶界的存在和晶粒取向度的不同对Ti和O原子的电子结构的影响. 结果显示，晶界处会形成明显的缺陷态，而晶粒取向度与晶界角度的不同与缺陷态的性质没有直接的关系. 这些发现对了解陶瓷中的晶界电子结构具有积极的意义.【期刊名称】《石家庄学院学报》【年(卷),期】2011(013)006【总页数】8页(P28-35)【关键词】SrTiO3;晶界;晶粒取向度;电子结构;第一性原理计算【作者】龚彪;张睿智【作者单位】西北大学物理学系,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069【正文语种】中文【中图分类】O4690 引言钛酸锶（SrTiO3）是典型的钙钛矿型结构物质，是一种用途广泛的电子功能陶瓷材料[1，2]，具有介电损耗低、热稳定性好等特点，可以用于制造高中压陶瓷电容器、边界层陶瓷电容器和低压压敏电阻器等，广泛应用于电子、机械等行业.同时，SrTiO3具有禁带宽度高（3.2 eV）、光催化活性优良等特点，在光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等领域也具有应用潜力.近年来，对SrTiO3的研究已经扩展到杂质、表面和电子掺杂SrTiO3电子结构[3～7].最近，对SrTiO3晶界的原子结构和电子性质的研究逐渐引起注意，多晶SrTiO3在许多电子设备中有应用，它的很多宏观性质主要取决于材料的微观结构.SrTiO3的晶界与许多电子性质有关系，如非线性电流电压特性.通过对SrTiO3晶界模型的理论计算，可以得出有关晶界的物理性质.1 计算方法与模型应用Material Studio中的CASTEP模块对SrTiO3原胞和3个构型不同的晶界的能带结构进行了模拟运算.CASTEP（Ambridge Sequential Total Energy Package）是由剑桥大学凝聚态理论研究组开发的1套基于密度泛函从头算方法的先进的量子力学程序[8，9]，可以模拟固体、界面和表面的性质，适用于多种材料体系，包括陶瓷、半导体和金属等.应用CASTEP先对晶界模型进行几何优化，使其处于能量最低的状态，然后计算各个模型的总态密度以及单个原子的态密度.下面介绍一下SrTiO3原胞以及3个SrTiO3晶界模型.图1 SrTiO3原胞模型图1是SrTiO3原胞模型.图2是第1种类型的SrTiO3晶界模型（以下简称Type1），是优化后的晶界排列，被标注为O0的氧原子所在列为晶界线，两边的原子在晶界线左右对称分布.Type1晶界模型有2个重复单元，图2中所标晶粒取向度为100.653度.图2 SrTiO3晶界模型1（Type1）图3是第2种类型的SrTiO3晶界模型（以下简称Type2），这是优化后的晶界排列，被标注为O0的氧原子所在列为晶界线，两边的原子在晶界线左右对称分布.本晶界模型有2个重复单元，图3中所标晶粒取向度为83.291度.图4是第3种类型的SrTiO3晶界模型（以下简称Type3），是优化后的晶界排列，被标注为O0的氧原子所在列为晶界线，两边的原子在晶界线左右对称分布.本晶界模型只有1个单元，图4中所标晶粒取向度为124.725度.图3 SrTiO3晶界模型2（Type2）图4 SrTiO3晶界模型3（Type3）根据图1～图4的模型，应用Material Studio的CASTEP模块对它们的能带结构和态密度进行了模拟运算，分析因为晶界的存在，原子电子状态的变化以及距晶界线不同距离的原子的态密度的不同变化.2 结果与分析2.1 3个晶界模型与SrTiO3原胞的态密度比较图5（a）～（d）分别是SrTiO3原胞与3个晶界模型在-20～10 eV范围内的总态密度图.比较发现由于晶界的存在，它们之间态密度变化很大，在5～10 eV的能量范围内3个晶界模型没有态密度，而SrTiO3原胞在此段范围有态密度，经过对SrTiO3原胞中各个原子的偏态密度分析，发现此段范围的态密度基本上由Sr原子d轨道贡献，O原子和Ti原子贡献很小.而在3个SrTiO3晶界模型中，由于晶粒排列结构的变化导致这段范围态密度消失.另外，4个模型在-15 eV处都有2个尖峰，这是由O原子f轨道和Sr原子p轨道的贡献所致.O原子p轨道的贡献主要在-5～0 eV的高价带区，Ti原子d轨道的贡献主要在0～5 eV的低导带区，它们都由于晶界的存在而变化很大，在后面的部分将仔细比较它们的区别.2.2 SrTiO3原胞态密度图分析在存在晶界的SrTiO3晶胞中，比较了距晶界线不同距离的原子（Ti和O原子）的态密度的变化特点，能量范围仅选取Ti和O原子变化明显的-6～5 eV这一段，如图6（a）～（c）,其中能量为0 eV处设定为费米能级.由图6可以得出以下结论.1）总的态密度由各个原子的态密度叠加而成.2）Ti原子对总的态密度的贡献主要在导带区，而且主要是Ti的d轨道电子态的贡献.O原子对总的态密度的贡献主要在价带区，而且主要是O的p轨道电子态的贡献.图5 SrTiO3原胞与3个晶界模型在-20～10 ev范围内的总态密度图图6 SrTiO3原胞及其Ti和O原子的态密度图2.3 SrTiO3 Type1态密度图分析将Type1中距晶界线由近到远的Ti原子简称为Ti1，Ti2，Ti3，图7是这3种Ti 原子的d轨道态密度图，分析结果如下.1）比较Ti原子态密度在价带区的特点发现，相同点是3个Ti原子的态密度在价带区的形状基本相同，峰值也几乎相等，分别为1.06，1.01和0.89.并且与原胞中的Ti在价带区的峰值1.01几乎一致.每个Ti原子峰的宽度都基本相同.不同点是原胞中的Ti在价带区没有尖锐的峰.2）比较Ti原子态密度在导带区的特点发现，与原胞中的Ti相比，Type1中Ti的态密度有较大变化，并且3个Ti原子之间的态密度也相差较大.在原胞中最高峰在3.46 eV处，峰值为4.00.Type1中3个Ti原子峰值远远低于4.00，分别为1.87，0.73，1.62.原胞中的态密度有4个峰，在Ti1中有2个峰，Ti2中只有1个峰，Ti3中有2个峰，所有峰都分布在2～4 eV范围内.Ti1与Ti3的态密度相似.Type1中按O原子距晶界线由近到远的标序原则，依次为O0，O1，O2，O3，O4，O5，其中O0在晶界线上.图8是这8种O原子p轨道的态密度图，分析如下.图7 SrTiO3 Type1中3种Ti原子的态密度图图8 SrTiO3 Type1中6种O原子的态密度图1）由于O原子在导带区没有什么分布，Type1中列举的6个氧原子态密度在导带区也几乎没有分布，只有O0，O5和原胞的O原子有很少的分布.下面只讨论O 原子在价带区的态密度分布.2）O1的态密度分布最特别，只有1个单峰，在-1.41 eV处，峰值为1.72.3）O3与O0的态密度分布基本相同，峰的宽度和高度也基本差不多.只是O3的峰的位置相对O0有向左移动大约0.7 eV的特点.4）原胞中O原子2个峰交界处的位置和值分别是-2.17 eV和0.49.下面比较这方面有相似特点的O2和O4.O2的2个较大峰的交界处的位置和值分别是-2.20 eV和0.59.O4的2个较大峰的交界处的位置和值分别是-2.30 eV和0.60.尽管这3个图的大峰的特点不同，但是交界处的位置和值都基本相同.5）O5形成3个尖锐的峰，从左到右位置分别在-4.21 eV，-2.94 eV，-1.19 eV 处.O5与其他氧原子有较大差异，比原胞中多1个峰.2.4 SrTiO3 Type2态密度图分析Type2中按Ti原子距晶界线由近到远依次标记为Ti1，Ti2，图9为这2种Ti原子的态密度图，分析结果如下.1）Type2与原胞中的Ti原子态密度相比有很大差别.原胞中Ti的态密度在导带区有4个峰，并且最高峰的峰值为4.00 eV，而Type2中Ti1，Ti2都分别只有2个峰，并且峰值都远低于4.00 eV.2）原胞中最高峰的位置为3.46 eV，Ti1，Ti2中最高峰的位置分别为3.51 eV，3.42 eV，可以看出在这个位置处只是峰值变小了，位置几乎没有变化.3）Ti2在价带区的态密度与原胞和Ti1的都不同，特点最独特.Type2中按O原子距晶界线由近到远依次标记为O0，O1，其中O0为处于晶界线的O原子.图10为Type2中2种O原子的态密度图，可以发现，Type2中的O原子态密度在价带区的峰值与原胞相比变化不大，都在1.7上下，只是峰的个数与起伏形状存在较大差异.原胞中2个峰尖锐，O1中4个峰共有1个较宽较高的底.图9 SrTiO3 Type2中2种Ti原子的态密度图图10 SrTiO3 Type2中2种O原子的态密度图2.5 SrTiO3 Type3态密度图分析Type3中按Ti原子距晶界线由近到远的标序原则，依次为Ti0，Ti1，Ti2，Ti3，Ti4，Ti5，Ti6.图11是这7种Ti原子的态密度图，分析如下.1）比较这7个Ti原子，发现他们在导带区的态密度图的形状基本相似，都只有1个尖峰（除了Ti2有2个小峰），与原胞中Ti的态密度图都相差很大.2 )Ti1与Ti6的态密度图显示二者峰的形状与高度都基本相同，说明这2个Ti原子的价电子状态相近.3）Ti3与Ti5态密度在导带区的形状基本相同，位置分别为3.19 eV，3.09 eV，峰值都是1.61.4）Ti3在价带区有2个峰，最高峰值为0.96，Ti5在价带区有1个峰，峰值为0.97.可以看出这2个Ti原子在结构上有相似的位置，在晶界图中它们在同1条链上.5）Ti2，Ti3，Ti4在价带区的形状相似，与它们在晶界图中同在1条链上有关.又因为它们距晶界线的距离不同，因此有不同的影响，从态密度图中峰值和位置可看出.Type3中按O原子距晶界线由近到远依次标记为O0，O1，O2，O3，O4，O5，O6，图12为这7种O原子的态密度图，分析如下.1）Type3中O原子的态密度与原胞中的态密度相差较大，只有O3与原胞中的O图形相似.2）O1，O2与O6都是1个大峰，大峰上有起伏的小峰，其中O2的峰高从右到左递增.3）O4与O5态密度在-6～-2 eV区间形状相似，O4在-1.73 eV处峰值为1.09，O5在-0.24 eV处峰值为1.22.图11 SrTiO3 Type3中7种Ti原子的态密度图图12 SrTiO3 Type3中7种O原子的态密度图3 结论建立了3个SrTiO3晶界模型，并应用第一性原理计算的方法对其能带结构和态密度进行了计算，分析由于晶界的存在和晶粒取向度的不同对Ti和O原子的电子结构的影响.通过对比分析计算得到的电子结构发现，晶界处会形成明显的缺陷态，而晶粒取向度与晶界角度的不同与缺陷态的性质没有直接的关系.参考文献：[1]肖鸣山，王成建.用于高压电容器的SrTiO3基陶瓷[J].功能材料，1997，28（5）：504-505.[2]叶超群，徐政，严彪.电子陶瓷材料介电功能应用研究现状与前瞻[J].江苏陶瓷，2004，37（2）：15-19.[3]MOShang-di，CHINGW Y，CHISHOLMM 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基于密度泛函理论的钛酸锶电子结构及属性研究的开题报告

基于密度泛函理论的钛酸锶电子结构及属性研究的开题报告摘要：钛酸锶（SrTiO3）是一种重要的多功能氧化物材料，在催化、电响应和能源转换等方面具有广泛应用。

本文旨在利用密度泛函理论研究SrTiO3的电子结构、能带结构、电子态密度分布、介电函数、光谱性质等基本特性，探究其材料学性质与其微观结构之间的关系。

研究结果将对SrTiO3的应用提供理论支持。

关键词：密度泛函理论，钛酸锶，电子结构，介电函数，光谱性质一、研究背景SrTiO3是一种具有重要价值和广泛应用前景的多功能氧化物材料。

其在生物医药、光电子学、固态催化、能源转换等领域中均有潜在的应用前景，如透明电极、太阳能电池、传感器、光纤通信、微机械系统等。

其中，其独特的物理化学性能被广泛认为是其应用领域的优势之一。

SrTiO3的性能特点关键在于其晶格与电子结构。

因此，对SrTiO3的电子结构、能带结构、电子态密度分布、介电函数、光谱性质等基本特性进行研究，对于理解其物理性质，推进其应用具有重要意义。

二、研究内容本文通过密度泛函理论（DFT）中的第一性原理方法研究SrTiO3的基本特性。

具体研究内容包括以下几个方面：1. SrTiO3的几何结构稳定性和电子能带结构：通过最小化系统总能量，得到SrTiO3的最稳几何结构，通过计算能带结构和能量本征态密度，分析SrTiO3的电子能带结构和电子态密度分布。

2. SrTiO3的介电函数：介电函数是材料的重要性质之一，可以表征其光学特性，如吸收、散射等。

本文将利用DFT方法计算SrTiO3的介电函数。

3. SrTiO3的光谱性质：通过计算SrTiO3的吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等，探究其光学性质及其物理意义。

三、研究意义本文旨在通过密度泛函理论研究SrTiO3的电子结构、能带结构、电子态密度分布、介电函数、光谱性质等基本特性，探究其材料学性质与其微观结构之间的关系。

研究结果将对SrTiO3的应用提供理论支持，促进其在生物医药、光电子学、固态催化、能源转换等领域中的应用与发展。

Bi掺杂SrTiO3的电子结构第一性原理研究

Bi掺杂SrTiO3的电子结构第一性原理研究彭彩云;马梅;李红梅;张航;张文蕾;张丽丽【期刊名称】《伊犁师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(9)2【摘要】利用第一性原理密度泛函理论，计算了不同浓度Bi掺杂SrTiO3的电子能带结构、能态密度、布居分析。

计算结果表明，掺杂Bi元素后，体系的禁带宽度增大，能级的密集程度增加；能态密度向低能方向移动，费米能级进入导带，在导带底出现了大量掺杂原子贡献的自由载流子——电子，体系表现出n型半导体特征，改善了SrTiO3的导电性。

%Using the first principles density functional theory. The calculation of the different concentration of Bi doped SrTiO3 electronic band structure, density of state and Mulliken Charge population. The results show that the doping Bi elements, system of the band gap increases, intensity level increased;density of states to lower energy di-rection, the Fermi level into the conduction band.At the bottom of the conduction band the free carrier –electron doping atoms contribution system, show the n-type semiconductor characteristics, improve the electrical conductivi-ty of SrTiO3.【总页数】5页(P43-47)【作者】彭彩云;马梅;李红梅;张航;张文蕾;张丽丽【作者单位】伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000;伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000;伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000;伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000;伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000;伊犁师范学院物理科学与技术学院，新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆伊宁 835000; 南京大学物理学院，国家固体微结构重点实验室，江苏南京 210093【正文语种】中文【中图分类】TQ174【相关文献】1.Bi掺杂BaSnO3电子结构的第一性原理研究 [J], 张旻;汪庆喜;王月花;赵新印;赵娜2.不同浓度Bi元素掺杂3C-SiC的电子结构的第一性原理研究 [J], 马梅;张文蕾;张晓旭;张航;彭彩云;曹庆琪;张丽丽3.F掺杂、N掺杂和F+N共掺杂NaNbO3的电子结构和光催化性能的第一性原理研究 [J], 韩晓东;周树兰;赵显;江向平4.Se掺杂Bi2Te3电子结构第一性原理研究 [J], 邹彦娟; 张小龙5.Se掺杂Bi2Te3电子结构第一性原理研究 [J], 邹彦娟; 张小龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Sb掺杂SrTiO_3电子结构的第一性原理计算(英文)

Sb掺杂SrTiO_3电子结构的第一性原理计算(英文)贠江妮;张志勇;邓周虎;张富春【期刊名称】《半导体学报：英文版》【年(卷),期】2006(27)9【摘要】计算了Sb掺杂SrTi1-xSbxO3(x=0,0.125,0.25,0.33)体系电子结构,分析了掺杂对SrTiO3晶体的结构、能带、态密度、分波态密度的影响.所有计算都是基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法.计算结果表明体系的导电性与掺杂浓度有关,Sb掺杂在母体化合物SrTiO3中引入了大量的传导电子,费米能级进入导带.当Sb掺杂浓度x=0.125时,体系显示金属型导电性.同时,光学带隙展宽,且向低能方向漂移,可作为优良的透明导电薄膜材料.【总页数】6页(P1537-1542)【关键词】第一性原理计算;SrTiO3;Sb掺杂;电子结构;透明导电薄膜【作者】贠江妮;张志勇;邓周虎;张富春【作者单位】西北大学信息科学与技术学院;延安大学物理与电子信息学院,延安716000【正文语种】中文【中图分类】TN304.02【相关文献】1.Sb掺杂LiBiO3电子结构的第一性原理计算 [J], 韦帅;胡朝浩;钟燕;陈冉;吕丰正;周怀营2.Sb掺杂SnO2材料电子结构与光学性质的第一性原理研究 [J], 张飞鹏;周传仓;郝五零;吴红玉;王新练;张久兴3.Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析 [J], 丁超;李卫;刘菊燕;王琳琳;蔡云;潘沛锋4.Sb掺杂对透明SnO_2薄膜导电性能影响的第一性原理计算(英文) [J], 邓周虎;闫军锋;张富春;王雪文;徐建平;张志勇5.P和Al掺杂立方相Ca_2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算（英文） [J], 岑伟富;杨吟野;范梦慧因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。