SrTiO3空位缺陷及缺陷形成能的第一性原理计算

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钛酸锶(SrTiO3)作为典型的钛钙矿金属绝缘氧化物,具备许多优良的性能,在众多领域都有着广泛的应用。长期以来,关于SrTiO3的导电性能一直是热点问题,无论是通过施主掺杂、还是引入空位缺陷,其相关导电性能的改善研究都已有过不少报道。但在这些研究中多数局限于中性空位缺陷、替位掺杂,很少有考虑让缺陷带上电荷后对体系产生的影响。而事实上,真实的材料体系,其内部缺陷存在不同的带电状态,不仅如此,实验已经表明,热处理、氧气分压、空气密度等化学或物理环境都会对SrTiO3陶瓷的导电性能产生影响。  本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对含本征缺陷的体SrTiO3进行计算,对其构架优化、电子结构、形成能等方面都给出了详细的结果和分析。  (1)引入缺陷(VSr,VTi和VO)后,在SrTiO3体系的能带带隙中,价带顶VBM和导带底CBM附近会产生额外的能级。导电性能发生由绝缘性向金属性的转变,且导电性能随缺陷浓度的增加而增强。  (2)考虑缺陷的带电情况,将SrTiO3划分为不同的缺陷体系,从形成能出发,计算研究了各种缺陷的形成机理。结果发现,Sr的分肖脱基缺陷有着较其它肖脱基缺陷低的形成能。这一现象与当前所得到的实验结果和理论结果都很好地得到吻合。  (3)各种孤立的中性缺陷以及各种类型的肖脱基缺陷,其形成能会随着相平衡条件的改变而改变。就所计算得到的形成能而言,在还原条件(低氧分压)下,SrTiO3体系中的主要缺陷是V0O。然而,在氧化条件(高氧分压)下,SrTiO3体系中的主要缺陷是V0Sr以及Sr的分肖脱基缺陷反应V2Sr+V2O+。这些中性缺陷会让体系获得n型的和p型的导电性能。这一理论分析结果和实验上所观测到的,在一定范围0分压条件下SrTiO3表现出的导电情况相一致。
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