论文部分内容阅读
SrTiO3是一种钙钛矿型的宽禁带半导体材料，具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点，广泛应用于电子、铁电和光催化等领域。对于SrTiO3表而的研究，还源自于人们将它用作生长高温超导体的衬底材料。因而，了解SrTiO3的表而原子结构，对于人们理解SrTiO3的基本性质，尤其是与薄膜生长和光催化等相关的表面特性有很大的帮助。本论文采用第一性原理计算方法，研究SrTiO3清洁表而和不同的分子在SrTiO3表而的吸附现象，以及杂质掺杂对于SrTiO3材料性质的影响。主要研究内容和结论如下: 1.通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算了未掺杂SrTiO3及其清洁表面的电子结构。本征SrTiO3的导带底位于布里渊区的中心Γ点，而价带顶的位置则位于R点。计算得到的SrTiO3的间接带隙(R-Γ)和直接带隙(Γ-Γ)的宽度分别为1.80 eV和2.15 eV。此外，我们还计算了SrTiO3清洁表而的电子结构。对于TiO2终止表而，价带顶处的能带主要来自于表而第一层中的O2p轨道的贡献，可以看作是表而态能带。SrO表而的表而态能带集中在费米能级附近，并未向带隙方向扩展，在X点到Γ点之间的很平的最高价带属于SrO表面的表而态能带。 2.研究了CO和NO分子在SrTiO3表而的吸附性质。计算结果表明:CO以C端向下的方式吸附在SrTiO3(001)表而的构型比较稳定，并且CO吸附在TiO2表而的吸附能要大于CO吸附在SrO表而。通过分析SrTiO3(001)清洁表而与CO分子吸附表而的差分电荷密度分布发现，吸附前后TiO2终端表而的电子性质变化很小，因而CO分子是以物理吸附的方式吸附到SrTiO3(001)表而的。与CO吸附的情况类似，NO分子以N端向下吸附于SrTiO3(001)表而时最为稳定，但是NO的吸附能比CO的吸附能要小。 3.研究了杂质掺杂对SrTiO3体系的电子结构的影响。计算结果表明N2p和C2p所引入的杂质带位于SrTiO3的带隙之中，并没有出现由N(C)的2p轨道与O2p轨道混合所导致的带隙减小的现象。通过分析掺杂系统的总态密度和分波态密度，我们发现Mo-C共掺杂复合体能够将材料的价带顶向高能方向移动，同时能够使材料导带边的位置保持不变，从而使得共掺杂SrTiO3系统的带边位置能够与水的氧化还原势的位置保持骑跨结构。对于缺陷对结合能的计算结果表明，共掺杂系统比各自的单掺杂系统在能量上要更为稳定。