鈣鈦礦金屬氧化物異質(zhì)結(jié)的第一性原理研究.pdf

1、隨著科技的進步，計算機性能得到了飛速的提高，人們對物理理論的認(rèn)識也更加的深入，利用計算機模擬解釋物理現(xiàn)象以及設(shè)計功能材料已經(jīng)成為不可或缺的科研手段。由于密度泛函理論在精度以及對經(jīng)驗參數(shù)的依賴性上具有獨特的優(yōu)勢，使得它在眾多第一性原理方法中脫穎而出。鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)由于其界面以及表面豐富的物理性質(zhì)而吸引眾多實驗和理論工作者的眼光，近十年來成為物理化學(xué)界爭相研究的熱點。本文我們主要通過第一性原理計算，對不同種類的鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)在理論上

2、進行設(shè)計和研究，涉及的內(nèi)容包括對異質(zhì)結(jié)光催化能力的預(yù)測，對界面二維自由電子氣的調(diào)控，和對異質(zhì)結(jié)拓?fù)湫再|(zhì)的發(fā)現(xiàn)。對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)在物理、化學(xué)以及電子器件方面的應(yīng)用作出了理論上的預(yù)測和機理上的闡述。
　　第一章中我們對理論計算方法細(xì)節(jié)做一個概括性的介紹。有:基于波函數(shù)的Hartree-Fock方法;基于電子密度的密度泛函理論。對它們的理論背景和發(fā)展做了詳細(xì)的介紹。隨后，我們對密度泛函理論中最重要最核心的交換關(guān)聯(lián)泛函作了介紹，最后簡

3、單介紹了兩個常用的計算軟件包。
　　第二章中我們對近十年來最熱門的LaAlO3/SrTiO3(001)(LAO/STO(001))界面作了背景介紹，包括最受關(guān)注的界面二維自由電子氣的產(chǎn)生，臨界層數(shù)問題以及三種不同的機制（極化災(zāi)難模型、氧缺陷模型和離子交換模型）。隨后我們對界面其他奇異的物理現(xiàn)象作了簡單的介紹，如界面的鐵磁性、超導(dǎo)性以及鐵磁超導(dǎo)共存現(xiàn)象。
　　第三章中，我們通過計算，提出了新的過渡-金屬氧化物-異質(zhì)結(jié)模型，設(shè)計

4、出一種新型的用于光催化的材料。我們設(shè)計了一種既包含n型又包含p型界面的“三明治”結(jié)構(gòu)STO/LAO/STO(001)異質(zhì)結(jié)。由于LAO(001)內(nèi)部存在的本征電場隨層數(shù)而增加，我們可以通過改變LAO的厚度來調(diào)節(jié)兩邊STO的能帶位置。通過這種方法，體系的帶隙有了明顯變小，從而大大提高了光吸收效率，通過第一性原理計算的結(jié)果看到，當(dāng)LAO厚度到達(dá)一定層數(shù)后，光吸收范圍可移動至可見光甚至紅外光。同時，LAO內(nèi)部的電場將光激發(fā)的電子空穴對分離并向

5、相反方向移動，有效地阻止了電子空穴對的復(fù)合，使得兩邊的STO分別成為電子摻雜和空穴摻雜的表面，在空間上分離了水的氧化還原反應(yīng)。
　　第四章中我們研究了應(yīng)力是如何通過改變品格結(jié)構(gòu)來調(diào)控界面的二維自由電子氣。根據(jù)我們的計算結(jié)果，我們認(rèn)為應(yīng)力對于n型LAO/STO界面體系的二維自由電子氣具有重要的調(diào)控作用，通過應(yīng)力引起的STO部分的鐵電性與LAO本征的電場的相互作用，調(diào)節(jié)STO的鐵電方向來“打開”和“關(guān)閉”界面二維自由電子氣。在壓縮應(yīng)力

6、情況下，我們提出的三種模型“para”、“up”、“down”，其中“up”類型是“打開”二維自由電子氣的按鈕，“down”則是”關(guān)閉”按鈕，而對于“para”型，壓縮應(yīng)力仍然提高了二維自由電子氣出現(xiàn)的臨界層數(shù)，拉伸應(yīng)力則通過減小界面處載流子濃度以及降低其遷移率來限制二維自由電子氣的出現(xiàn)。
　　第五章中我們通過設(shè)計由較重的過渡金屬組成的類似石墨烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)(honeycomb)來實現(xiàn)陳絕緣態(tài)。對稱性破缺導(dǎo)致拓?fù)湫缘谋黄茐?，使得?/p>

7、找一種具體的此類陳絕緣體成為難點，基于之前3d系列金屬氧化物的研究，我們通過調(diào)節(jié)自旋軌道耦合(SOC)以及其它相互作用，設(shè)計出兩種寬帶隙的陳絕緣體，帶隙高達(dá)132meV，其陳數(shù)分別是C=-1及C=2。通過這個研究我們發(fā)現(xiàn)，SOC與其它作用的相互平衡將導(dǎo)致更寬的帶隙，而更強的SOC會引起更大的霍爾電導(dǎo)。而通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化而引起的對稱性降低也會破壞量子反?；魻栃?yīng)的形成，在這兩個具有魯棒性的陳數(shù)絕緣體中，放開所有自由度優(yōu)化過后，結(jié)構(gòu)依然保持著較