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SrTiO_3空位缺陷及替位掺杂的第一性原理计算

作　者: 徐新发
导　师: 邵晓红
学　校: 北京化工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: SrTiO3 电子结构 掺杂 第一性原理 VASP
分类号: O641.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


SrTiO3是一种钙钛矿金属氧化物绝缘体,它被广泛用于晶界电容器、氧敏传感器、光开关、生长高温超导薄膜的衬底,作为高电容率材料在超晶格和下一代超大规模集成器件中具有潜在的应用价值。目前,对SrTiO3电子结构、半导化掺杂、导电模型、缺陷态、表面/界面态等方面已有了不少的理论和实验研究。其中对于n型掺杂前人研究较多,对于p型掺杂和各种空位缺陷研究较少。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理软件VASP,对SrTiO3材料的电子结构、本征缺陷、掺杂改性进行研究,所用软件为VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）软件包。主要研究内容及结果如下:一、系统地计算了SrTiO3几何和电子结构,包括晶体结构、能带结构、态密度。计算结果表明SrTiO3是一种间隙半导体。比较总态密度和各原子得分波态密度可知,价带顶（R点）电子主要由O 2p态电子提供,导带底（г点）电子主要由Ti 3d提供。二、系统地计算了不同空位浓度下SrTiO3-x,Sr1-xTiO3和SrTi1-xO3（X=0.125,0.25,0.33）的几何结构和电子结构,包括晶格常数,能带结构、态密度、分波态密度。结果表明:通过引入O空位,使体系费米能级进入导带中。并且随着空位浓度的增大,进入到导带中的位置越深,属于n型掺杂,在禁带中产生了缺陷能级;引入Sr空位或Ti空位后,体系的费米能级进入到价带中,并且随着空位浓度的增大,进入到价带中的位置越深,属于p型掺杂,在价带项附近引入了缺陷能级。三种空位的引入,都使体系从绝缘性向金属性转变,其中Ti空位对体系导电性改善效果最好。三、研究了不同掺杂浓度替位掺杂对SrTiO3几何结构和电子结构的影响。结果显示Y替位Sr掺杂属于n型掺杂,体系Sr1-xYxTiO3（X=0.125,0.25,0.33）的费米能级进入导带中,在导带底出现大量由掺杂原子贡献的自由载流子-电子,明显提高了电导率,改善了SrTiO3的导电性能。In或Al替位Ti掺杂为p型掺杂,体系SrTi1-xInxO3(SrTi1-xAlxO3)（X=0.125,0.25,0.33）的费米能级进入价带中,掺杂在价带顶附近引入缺陷能级,费米能级处电子态密度不为零,从而使得体系的导电能力增强。三种情况下的掺杂都使体系转变为金属性,其中Y替位Sr对体系导电性改善效果最好。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章 综述  13-19
  1.1 研究背景  13-14
    1.1.1 SrTiO_3材料研究意义简介  13-14
    1.1.2 本课题研究的目的与研究意义  14
  1.2 SrTiO_3材料的物理特性  14-16
  1.3 国内外研究现状  16-19
    1.3.1 实验研究现状  16-17
    1.3.2 理论模拟研究现状  17-19
第二章 第一性原理及VASP软件介绍  19-31
  2.1 什么是第一性原理计算  19-20
  2.2 Born-Oppenheimer近似  20-21
  2.3 Hartree-Fock近似  21-23
    2.3.1 Hartree方程  21
    2.3.2 Hartree-Fock方程  21-23
  2.4 密度泛函理论简介  23-29
    2.4.1 Hobenberg-Kohn定理  23-25
    2.4.2 Kohn-Sham(沈吕九)方程  25-26
    2.4.3 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)  26-28
      2.4.3.1 局域密度近似(LDA)  27
      2.4.3.2 广义梯度近似(GGA)  27-28
    2.4.4 各种密度泛函计算方法及一般计算过程简介  28-29
  2.5 第一性原理计算软件VASP介绍  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章 理想SrTiO_3几何结构及电子结构计算  31-35
  3.1 理论模型及计算方法  31-32
    3.1.1 理论模型  31-32
    3.1.2 计算方法  32
  3.2 计算结果及讨论  32-34
    3.2.1 晶体结构计算结果  32-33
    3.2.2 能带结构  33
    3.2.3 电子态密度分析  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第四章 SrTiO_3材料空位缺陷的计算讨论  35-49
  4.1 引言  35
  4.2 计算方法及细节  35-36
    4.2.1 超原胞模型  35-36
    4.2.2 计算细节  36
  4.3 计算结果讨论  36-47
    4.3.1 O空位计算结果讨论  36-40
      4.3.1.1 晶体结构计算结果  36-37
      4.3.1.2 能带结构  37-39
      4.3.1.3 电子态密度  39-40
    4.3.2 Sr空位计算结果讨论  40-43
      4.3.2.1 晶体结构计算结果  40-41
      4.3.2.2 能带结构  41-42
      4.3.2.3 电子态密度  42-43
    4.3.3 Ti空位计算结果讨论  43-47
      4.3.3.1 晶体结构计算结果  44
      4.3.3.2 能带结构  44-46
      4.3.3.3 电子态密度  46-47
  4.4 三种空位体系的导电性比较  47
  4.5 本章结论  47-49
第五章 SrTiO_3替位掺杂电子结构理论研究  49-65
  5.1 计算方法及计算细节  49-50
    5.1.1 超晶胞模型  49-50
    5.1.2 计算细节  50
  5.2 Y掺杂SrTiO_3电子结构的结果讨论  50-56
    5.2.1 Sr_(1-x)Y_xTiO_3和SrTi_(1-x)Y_xO_3掺杂形成能比较  50-51
    5.2.2 晶体结构计算结果  51-52
    5.2.3 电子结构分析  52-56
      5.2.3.1 能带结构  52-53
      5.2.3.2 电子态密度  53-56
  5.3 铟(In)掺杂SrTiO_3电子结构的结果讨论  56-59
    5.3.1 晶体结构计算结果  56-57
    5.3.2 电子结构  57-59
      5.3.2.1 能带结构  57-58
      5.3.2.2 电子态密度  58-59
  5.4 Al掺杂SrTiO_3电子结构的结果讨论  59-63
    5.4.1 晶体结构计算结果  59-60
    5.4.2 电子结构  60-63
      5.4.2.1 能带结构  60-62
      5.4.2.2 电子态密度  62-63
  5.5 三种掺杂体系的导电性比较  63
  5.6 本章小结  63-65
参考文献  65-68
致谢  68-69
发表论文  69-70
作者简介  70
导师简介  70-71
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  71-72

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 结构化学 > 化学键理论
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