摻雜鈦酸鍶的理論計(jì)算研究及其在電子器件中的應(yīng)用.pdf

1、ABO3型鈣鈦礦復(fù)合氧化物是一類多功能材料，因其含有過(guò)渡金屬離子，這類材料表現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)，如:高介電常數(shù)，低介電損耗，壓電性質(zhì)，鐵電極化，高磁阻，超導(dǎo)等等。鈦酸鍶(SrTiO3)作為典型的鈣鈦礦氧化物功能材料，具有此類材料的各種優(yōu)異的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，通過(guò)對(duì)SrTiO3材料的摻雜（引入氧缺陷或是替換Sr原子或Ti原子），進(jìn)一步豐富了SrTiO3的性質(zhì)，在許多電子器件，如:場(chǎng)效應(yīng)晶體管，電阻開關(guān)器件，固體氧化物燃料電池，熱電器件，燃料

2、敏化太陽(yáng)能電池中都有廣泛應(yīng)用。因此，研究非理想SrTiO3體系的電學(xué)性質(zhì)對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化器件的性能至關(guān)重要。本論文通過(guò)理論加實(shí)驗(yàn)的研究方法，對(duì)摻雜SrTiO3的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)及其在電阻開關(guān)器件和有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用等展開了一系列研究，具體內(nèi)容包括以下三個(gè)部分:
　　第一部分的內(nèi)容主要是采用密度泛函的第一性原理方法，計(jì)算了摻氮(N)SrTiO3和有氧缺陷(Vac)的SrTiO3體系中不同距離的兩個(gè)氮原子的相互作用和不同距離

3、的兩個(gè)氧空位的相互作用對(duì)體系的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響。在一個(gè)2×2×2的SrTiO3超晶胞中產(chǎn)生兩個(gè)氧空位(即SrTiO2.75)或是用兩個(gè)氮原子替代兩個(gè)氧原子(即SrTiO2.75N0.25)，我們?cè)O(shè)計(jì)了七種放置兩個(gè)N原子和Vac的不同模型并進(jìn)行第一性原理計(jì)算。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，超晶胞中兩個(gè)N原子和兩個(gè)Vac之間距離的長(zhǎng)短對(duì)體系的性質(zhì)影響非常大。在SrTiO2.75體系中，Vac傾向于鏈狀排列，并且中間夾著一個(gè)Ti原子，

4、其他的結(jié)構(gòu)則為亞穩(wěn)態(tài)。SrTiO2.75N0.25體系的結(jié)果則正好相反，它更傾向于其他的六種結(jié)構(gòu)。SrTiO2.75體系在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒(méi)有磁性，在其他六種亞穩(wěn)態(tài)時(shí)則和SrTiO2.75N0.25體系一樣表現(xiàn)出了磁性，磁性的來(lái)源主要是Ti原子3d軌道和N原子p軌道的貢獻(xiàn)。因此，我們的研究結(jié)果提供了一種可能在原子尺寸上調(diào)控SrTiO3電子和磁學(xué)性質(zhì)的方法。
　　第二部分內(nèi)容中，主要是對(duì)SrTiO3單晶片進(jìn)行退火處理研究其電子結(jié)構(gòu)并將其制作成

5、電阻開關(guān)器件。對(duì)高溫退火處理的SrTiO3單晶片進(jìn)行透射譜、同步輻射光電子吸收譜、掃描電子顯微鏡(SEM)等技術(shù)手段表征。我們發(fā)現(xiàn)，封裝在Ar氛圍中退火，使SrTiO3單晶片產(chǎn)生了可觀的氧缺陷，這些氧缺陷的出現(xiàn)從顏色變化和透射譜，光電子吸收譜中都可以得到證實(shí)。SEM形貌圖中可以清楚的看到納米網(wǎng)狀圖樣，這有可能就是我們第一部分計(jì)算中氧缺陷趨向于鏈狀排列的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的退火處理，SrTiO3單晶片在電阻開關(guān)器件中表現(xiàn)出良好的性能，主要是因

6、為SrTiO3中氧缺陷的存在，產(chǎn)生了可以移動(dòng)的電子以及在外加電場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子的操作。
　　第三部分內(nèi)容中，我們主要是把SrTiO3材料應(yīng)用到了有機(jī)太陽(yáng)能電池中。首先，通過(guò)溶液法制備SrTiO3層，熱裂解后，形成SrTiO3納米顆粒層。由于SrTiO3的禁帶寬度為3.2eV，使得SrTiO3納米顆粒層可以作為透明電子傳輸層替代有機(jī)太陽(yáng)能電池中的一層聚合物。以SrTiO3納米顆粒層為電子傳輸層的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了穩(wěn)定的光伏性能