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效應和Peltier效應。Seebeck效應是一種溫差電效應，它是指在材料的兩端外加一定的溫度差時，相應材料的兩端就會產(chǎn)生一定的電動勢。Peltier效應是Seebeck效應的逆效應，是指在材料中通以一定方向的電流時，相應在材料的兩端分別會產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象；改變電流方向，吸放熱端也隨之反向。熱電材料的應用非常廣泛，不僅可用于測溫，溫差發(fā)電等領(lǐng)域，而且還可應用于冷卻

2、電子器件（紅外、遠紅外探測器，高速芯片等）、醫(yī)療器材等方面。
　　 熱電材料溫差發(fā)電不僅是當前深空探測領(lǐng)域重要的能源供應，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，對應熱電轉(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提高熱電材料的ZT值，一是調(diào)節(jié)材料的組分來提高材料的功率因子或降低材料的熱導

3、率，二是調(diào)控材料的微結(jié)構(gòu)來提高材料的熱電性能。近幾年，有實驗研究報道了在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)值算法以及計算機技術(shù)只新月異的發(fā)展，基于密度泛函理論的第一性原理計算已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、量子化學和材料科學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)，尤其對各種異質(zhì)結(jié)的平均靜電勢及帶階值進行了計算，研究了界面的量子阱結(jié)構(gòu)和極化強度的變化，對界面二維電子氣的來源和機制進行了系統(tǒng)地研究，揭示了實驗現(xiàn)象的本質(zhì)，對材料的熱電性能進行了預測。
　　 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。計算了該異質(zhì)結(jié)的帶階和平均靜電勢，得到其價帶和導帶的帶階分別為0.09eV和0.19eV:對超晶格結(jié)構(gòu)平均靜電勢的計算發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)構(gòu)了界面處存在勢阱，該勢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)氧空位導致界而

6、呈n型，顯示出金屬性，且空位處的平均靜電勢的升高。SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)：針對兩種不同界面AlO2/LaO/TiO2和AlO2/SrO/TiO2的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究。對電荷分布的計算發(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。對界面優(yōu)化后原子弛豫的分析表明AlO2/LaO/TiO2電子補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。最后計算了同時包含上述兩種界面的混合摻雜型超晶胞的極化強度和帶階值，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，并通過計算得到該異質(zhì)結(jié)價帶帶階值為0.15eV，導帶帶階值為2.45eV，都是LaAlO3一側(cè)高。SrTiO3/SrTi1-xNbxO3/SrT

8、iO3量子阱結(jié)構(gòu)：對該體系能帶結(jié)構(gòu)的計算發(fā)現(xiàn)費米能級位于導帶之內(nèi)，體系表現(xiàn)出金屬性。對平均靜電勢的計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。對自發(fā)極化的計算發(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)極化強度值最大，隨著原子層的逐漸遠離界面，自發(fā)極化強度值逐漸減小。由于極化電荷對量子阱中的電子有吸引作用