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性 狀：    白色立方晶體。相對密度5.13。熔點2080℃。    

質量標準：    

熔點  2060 °C(lit.)
密度  4.81 g/mL at 25 °C(lit.)    

上海紫一試劑廠專注電池類新材料的開發

N 摻雜鈦酸鍶的第一性原理研究

摘要 :采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢計算方法 , 研究了 N 摻雜 SrTiO3 體系的幾何結構和電子結構 .通過分析 N 位于不同摻雜位置的S rTiO3 晶格幾何結構和電子態密度 的變化發現:N 摻雜 SrTiO3 使得其晶格結構發生畸變, 但是 N 雜質原子位于不同摻雜位置導致其 最近鄰原子的相對位置變化存在明顯差異;N 摻雜 S rTiO3 不僅導致其費米能級進入到價帶中 , 而 且使得其光學帶隙窄化 ,從而提高了其光吸收性能.但是 ,位于不同摻雜位置的N 雜質原子 2p 態電 子對 N 摻雜 SrTiO3 體系整體電子結構變化的貢獻作用明顯不同, 從而導致其光學帶隙窄化程度 存在明顯差異 .

引言

鈦酸鍶(Sr TiO3)是一種鈣鈦礦金屬氧化物絕緣體 , 它被廣泛用于生長高溫超導薄膜的襯底 ,作為高電 容率材料在超晶格[ 1] 和下一代超大規模集成器件[ 2] 中具有潛在的應用價值, 在水的光解中用作催化劑[ 3 , 4] . 它的電輸運性質可以通過元素替代式摻雜來調節 ,如 Nb 替代 Ti[ 5 , 6] , 或 La 替代 Sr[ 7] .由于 SrTiO3 材料在 鐵電 、半導體、超導和催化方面的這些特性 ,不但在光電子器件中具有重要的應用價值, 而且對理論研究具 有重要的實際意義. S rTiO3 晶體是一種寬帶隙(3 .25eV)半導體材料[ 8] , 因此限制了其在光電子器件設計與制備方面的實 際應用.最近,實驗研究[ 9-11] 發現氮(N)摻雜 Sr TiO3 晶體粉末和薄膜材料使得其在可見光范圍內光吸收性 能相對純凈 SrTiO3 材料顯著提高.近來 ,第一性原理計算被成功應用于研究摻雜 S rTiO3 材料的電子結構 與光學性質等特性[ 12-15] .但是 ,目前對于 N 摻雜 SrTiO3 體系幾何結構和電子結構的計算研究少有報道. 本文采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢計算方法, 研究了 N 摻雜 S rTiO3 體系的幾 何結構和電子結構, 通過分析 N 位于不同摻雜位置的 SrTiO3 晶格幾何結構和電子態密度的變化 ,在理論上 很好地揭示了其光吸收性能明顯提高的微觀機制 .

1 計算方法與模型 本文計算采用基于密度泛函理論(density functional theory-DFT)的第一性原理計算軟件包 CASTEP [ 16] . 其中電子與離子實的相互作用采用 Vanderbilt 形式的超軟贗勢(Ultra-soft pseudopotentials-USPP)[ 17] , Sr 、 Ti 、O 和N 四種原子的價電子構型分別為4s2 4p6 5s2 、3s2 3p6 3d2 4s2 、2s2 2p4 和2s2 2p3 , 各原子其他殼層的電子 則當作芯電子處理 .電子間的交換關聯相互作用采用局域密度近似 (local density approximation-LDA)下的 CA-PZ 參數化泛函形式[ 18 , 19] . 眾所周知, SrTiO3 單晶胞是典型的立方鈣鈦礦結構 ,其空間群為 Pm3m (Oh1).如圖 1a 所示, 在每一個 立方單胞中 , Ti 原子處于體心位置 , Sr 原子在立方體的頂角, 而 O 原子位于面心之處.先對 Sr TiO3 單晶胞 進行結構優化計算, 然后在此基礎上建立 2 ×2 ×2 超元胞 , 根據實驗結果[ 9-11] 選取如圖 1b 和 1c 所示 N 雜 質原子摻雜位置(替換O 原子和間隙)進行 N 摻雜S rTiO3 超元胞體系的結構優化計算.在計算過程中, 平面 波截斷能設為 350 eV ,布里淵區積分采用了 M onkhorst-Pack 的特殊 k 點取樣方案[ 20] , k 點網格大小為 4 × 4 ×4 ,總能收斂精度為 1 .0 ×10-5 eV/ atom , 原子受力則收斂至 0 .2 eV/A゜ (1A゜ =0 .1 nm).

2 結果討論 2 .1 結構優化 對 SrTiO3 單晶胞和 N 摻雜 S rTiO3 超元胞體系進行結構優化 ,包括對各原子位置和晶格參數的優化. 對 SrTiO3 單晶胞的結構優化得到其晶格常數和體模量分別為 3 .864A゜ 和 186 GPa ,與其實驗值[ 21] 相對一致 (3 .905A゜ 和 183 GPa), 從而說明上述計算參數的可靠性.同時,對 N 摻雜 Sr TiO3 超元胞的結構優化表明體 系的晶格常數略有增加, 但變化量很小 ,說明 N 摻雜使得 Sr TiO3 產生非常微弱的晶格畸變 .為詳細說明位 于不同摻雜位置的 N 雜質原子造成 Sr TiO3 晶格結構的變化 ,尤其是與 N 雜質原子最近鄰原子的相對位置 變化 ,圖 2 給出了 N 摻雜 Sr TiO3 體系不同原子層面的幾何優化結構. 如圖 2a

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