鈦酸鍶異質(zhì)結(jié)界面電子結(jié)構(gòu)的理論研究.pdf

1、熱電材料是一類(lèi)能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間直接轉(zhuǎn)換的功能材料，它具有Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)。Seebeck效應(yīng)是一種溫差電效應(yīng)，它是指在材料的兩端外加一定的溫度差時(shí)，相應(yīng)材料的兩端就會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)。Peltier效應(yīng)是Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)，是指在材料中通以一定方向的電流時(shí)，相應(yīng)在材料的兩端分別會(huì)產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象；改變電流方向，吸放熱端也隨之反向。熱電材料的應(yīng)用非常廣泛，不僅可用于測(cè)溫，溫差發(fā)電等領(lǐng)域，而且還可應(yīng)用于冷卻

2、電子器件（紅外、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，高速芯片等）、醫(yī)療器材等方面。
　　 熱電材料溫差發(fā)電不僅是當(dāng)前深空探測(cè)領(lǐng)域重要的能源供應(yīng)，而且還可將工業(yè)廢熱轉(zhuǎn)化為電能。目前大部分熱電材料的優(yōu)值因子ZT=1，對(duì)應(yīng)熱電轉(zhuǎn)換效率一般僅在7％～8％左右，偏低的熱電轉(zhuǎn)換效率制約了熱電發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。因此，提高熱電材料的ZT值一直是熱電材料研究者的努力方向。目前主要利用兩種手段來(lái)提高熱電材料的ZT值，一是調(diào)節(jié)材料的組分來(lái)提高材料的功率因子或降低材料的熱導(dǎo)

3、率，二是調(diào)控材料的微結(jié)構(gòu)來(lái)提高材料的熱電性能。近幾年，有實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道了在TiO2/SrTiO3和SrTiO3/SrTi1-xNbxO3等鈦酸鍶異質(zhì)結(jié)界面處存在高濃度、高遷移率的二維電子氣，可導(dǎo)致界面處高的熱電性能，引發(fā)了熱電材料研究者的極大關(guān)注。
　　 隨著凝聚態(tài)理論和數(shù)值算法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)只新月異的發(fā)展，基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)中重要的理論研究手段。本論文利用基于密度泛函理論的第一

4、性原理方法，從微觀的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)方面研究了多種鈦酸鍶異質(zhì)結(jié)，尤其對(duì)各種異質(zhì)結(jié)的平均靜電勢(shì)及帶階值進(jìn)行了計(jì)算，研究了界面的量子阱結(jié)構(gòu)和極化強(qiáng)度的變化，對(duì)界面二維電子氣的來(lái)源和機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，揭示了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)，對(duì)材料的熱電性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
　　 TiO2/SrTiO3異質(zhì)結(jié)：首先，建立了多種可能存在的界面構(gòu)型，計(jì)算了各構(gòu)型界面處的結(jié)合能和界面能，得到了最穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。其次，計(jì)算了該穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的能帶、態(tài)密度、電荷轉(zhuǎn)移和

5、布居分布等電子性質(zhì)，得到有0.2e～0.3e的電荷從TiO2一側(cè)轉(zhuǎn)移到SrTiO3一側(cè)，該電荷轉(zhuǎn)移可使SrTiO3一側(cè)完全恢復(fù)到其體材料的性質(zhì)，證明了TiO2層能很好的附著在SrTiO3襯底之上。計(jì)算了該異質(zhì)結(jié)的帶階和平均靜電勢(shì)，得到其價(jià)帶和導(dǎo)帶的帶階分別為0.09eV和0.19eV:對(duì)超晶格結(jié)構(gòu)平均靜電勢(shì)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)構(gòu)了界面處存在勢(shì)阱，該勢(shì)阱是由于界面處的極化不連續(xù)性造成的。最后定性研究了界面存在氧空位的情況，發(fā)現(xiàn)氧空位導(dǎo)致界而

6、呈n型，顯示出金屬性，且空位處的平均靜電勢(shì)的升高。SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)：針對(duì)兩種不同界面AlO2/LaO/TiO2和AlO2/SrO/TiO2的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)電荷分布的計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩種界面均是非電中性的，其中AlO2/LaO/TiO2界面呈n型，而AlO2/SrO/TiO2界面呈p型。對(duì)界面優(yōu)化后原子弛豫的分析表明AlO2/LaO/TiO2電子補(bǔ)償型界面的原子弛豫較大，原子層出現(xiàn)較大的褶皺，而空穴摻雜的A

7、lO2/SrO/TiO2界面的原子弛豫較小，原子層仍比較平坦。對(duì)AlO2/LaO/TiO2構(gòu)型能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的分析表明界面處的金屬態(tài)主要是由Ti3d電子提供的。最后計(jì)算了同時(shí)包含上述兩種界面的混合摻雜型超晶胞的極化強(qiáng)度和帶階值，發(fā)現(xiàn)界面處存在極化方向的翻轉(zhuǎn)，解釋了，n型界面存在二維電子的現(xiàn)象，并通過(guò)計(jì)算得到該異質(zhì)結(jié)價(jià)帶帶階值為0.15eV，導(dǎo)帶帶階值為2.45eV，都是LaAlO3一側(cè)高。SrTiO3/SrTi1-xNbxO3/SrT

8、iO3量子阱結(jié)構(gòu)：對(duì)該體系能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶之內(nèi)，體系表現(xiàn)出金屬性。對(duì)平均靜電勢(shì)的計(jì)算證明了該超晶格為典型的量子阱結(jié)構(gòu)，阱的位置位于SrTi1-xNbxO3層中，且阱的寬度和深度都隨著Nb摻雜比例的提高而增大。對(duì)自發(fā)極化的計(jì)算發(fā)現(xiàn)Ti原子在垂直于界面方向有較大弛豫，使得超品格呈現(xiàn)出自發(fā)極化的梯度變化，界面處原子層的自發(fā)極化強(qiáng)度值最大，隨著原子層的逐漸遠(yuǎn)離界面，自發(fā)極化強(qiáng)度值逐漸減小。由于極化電荷對(duì)量子阱中的電子有吸引作用