ABO3型掺杂材料的电子结构与光学特性的研究)
ABO3型钙钛矿材料的第一性原理研究的开题报告
ABO3型钙钛矿材料的第一性原理研究的开题报告
研究题目：ABO3型钙钛矿材料的第一性原理研究
研究背景：
ABO3型钙钛矿材料是一种普遍应用的重要材料，广泛应用于电子、光电、磁电等领域。
该材料具有优异的物理化学性质和应用潜力，因此
在材料科学领域受到了广泛关注。
ABO3型钙钛矿材料的研究主要涉及到其晶体结构和电学性质的研究，对其内在的电子结构和能带结构进行深入分析和研究是了解其电学性质
的关键。
而利用第一性原理方法对ABO3型钙钛矿材料进行研究，可以对其电学性质进行深入剖析，从而更好地指导其实际应用。
研究内容和方法：
本研究将通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对ABO3
型钙钛矿材料的电子结构和能带结构进行计算和分析。
具体研究内容包括：
1.钙钛矿晶体结构的计算和分析：通过第一性原理计算方法对不同
组分的ABO3型钙钛矿材料进行结构优化和晶格常数的计算；
2.电子结构计算和分析：对钙钛矿材料的电子结构进行计算和分析，包括能带结构和密度分布等方面，与实验数据进行对比分析，确定其电
学性质特征；
3.相互作用分析：对不同元素之间的相互作用进行分析，特别是A
和B元素之间的相互作用，以及探讨其对电学性质的影响。
预期成果：
通过本文研究，预计可以得到ABO3型钙钛矿材料的电子结构和能
带结构，明确其电学性质特征，为其实际应用提供理论依据。
同时，还
可以为其他相关材料的研究提供参考和借鉴。
锰酸锂晶体结构
锰酸锂晶体结构锰酸锂是一种重要的无机化合物，其晶体结构对于电池技术和材料科学具有重要意义。
本文将介绍锰酸锂的晶体结构及其在相关领域的应用。
锰酸锂的晶体结构属于钙钛矿型结构，也称为ABO3型结构。
在这种结构中，锰离子（Mn）占据A位，锂离子（Li）和氧离子（O）分别占据B位和O位。
锂离子和氧离子形成八面体的结构，而锰离子则位于这些八面体的中心。
这种结构的稳定性使得锰酸锂能够在高温和高压环境下保持结构的完整性。
锰酸锂晶体结构的稳定性和特殊性使其具备多种优良性能和广泛的应用。
首先，锰酸锂具有良好的离子导电性能，这使其成为一种理想的电解质材料。
锂离子在晶体结构中可以快速传输，因此锰酸锂被广泛应用于锂离子电池中。
锂离子电池作为一种高效、环保的能源储存装置，在电动汽车、移动电子设备等领域得到广泛应用。
锰酸锂还具有良好的光学性能。
由于其晶格中的离子位置特殊，锰酸锂晶体呈现出多种颜色，包括淡黄色、淡灰色和淡紫色等。
这些特殊的颜色使锰酸锂成为一种重要的颜料和染料材料，广泛应用于陶瓷、玻璃和涂料等工业领域。
锰酸锂还具有一些特殊的物理和化学性质。
例如，锰酸锂具有良好的热稳定性和化学稳定性，在高温和腐蚀性环境下仍能保持结构的完整性。
这使其成为一种理想的催化剂和陶瓷材料。
锰酸锂晶体结构的独特性使其在电池技术和材料科学中具有重要的应用价值。
锰酸锂作为一种优良的电解质材料和颜料材料，广泛应用于锂离子电池、陶瓷材料和涂料等领域。
锰酸锂的晶体结构为我们深入理解其性质和应用提供了基础，同时也为相关领域的研究和应用提供了新的思路和方向。
希望本文能帮助读者更好地了解锰酸锂晶体结构及其应用，同时也希望能激发更多的研究和创新，推动锰酸锂在能源和材料科学领域的进一步发展。
溅射氧化镍钙钛矿
溅射氧化镍钙钛矿溅射氧化镍钙钛矿是一种具有应用潜力的新型功能材料。
本文将从溅射氧化镍钙钛矿的结构、性质和应用等方面进行介绍。
一、溅射氧化镍钙钛矿的结构溅射氧化镍钙钛矿是一种具有钙钛矿结构的氧化物材料。
钙钛矿结构是一种典型的ABO3型结构，其中A位是镍离子（Ni2+），B位是钛离子（Ti4+），O位是氧离子（O2-）。
这种结构具有六方最密堆积的晶体结构，其中Ni2+和Ti4+离子分别占据着四面体和八面体的空隙位置。
1. 光学性质：溅射氧化镍钙钛矿具有较高的折射率和较低的透过率，因此在光学器件中具有广泛的应用潜力。
2. 电学性质：溅射氧化镍钙钛矿具有优异的电学性能，具有较高的介电常数和较低的电阻率，可以用于电容器和电子器件等领域。
3. 磁学性质：溅射氧化镍钙钛矿具有一定的磁性，可应用于磁存储器件和磁传感器等方面。
4. 热学性质：溅射氧化镍钙钛矿具有较低的热膨胀系数和较高的热导率，可应用于热电转换器件和热障涂层等领域。
三、溅射氧化镍钙钛矿的应用1. 太阳能电池：溅射氧化镍钙钛矿在太阳能电池领域具有巨大的应用潜力。
其优异的光学和电学性能使其成为一种理想的吸光层材料，可以大大提高太阳能电池的光电转换效率。
2. 传感器：溅射氧化镍钙钛矿的磁性和电学性能使其成为一种理想的传感器材料。
可以应用于磁传感器、温度传感器和压力传感器等领域。
3. 电容器：溅射氧化镍钙钛矿的优异电学性能使其成为一种理想的电容器材料。
具有较高的介电常数和较低的电阻率，可用于高性能电容器的制备。
4. 热电材料：溅射氧化镍钙钛矿的热学性能使其成为一种理想的热电材料。
可应用于热电转换器件，将热能转化为电能，实现能量的高效利用。
5. 光学涂层：溅射氧化镍钙钛矿具有较高的折射率和较低的透过率，可应用于光学涂层领域，如抗反射涂层和光学滤波器等。
溅射氧化镍钙钛矿是一种具有广泛应用前景的新型功能材料。
其优异的结构和性质使其在太阳能电池、传感器、电容器、热电材料和光学涂层等领域具有重要的应用价值。
Ba_1_x_Sr_xTiO_3相结构的拉曼光谱研究
文章编号:100425929(2003)022*******Ba 1-x Sr x TiO 3相结构的拉曼光谱研究ΞΞΞ郭惠芬,张兴堂,武 超,郭 浩,李蕴才,黄亚彬,杜祖亮3(河南大学特种功能材料重点实验室,河南开封 475001)摘 要:本文测定了不同Sr 含量的钛酸锶钡(Ba 1-x Sr x TiO 3)纳米晶的拉曼光谱,发现了随着Sr 含量的增加,517cm -1[E (TO )与A 1(TO )]光学声子模劈裂为双峰和相对低频声子模向低频漂移,而相对高频声子模向高频漂移现象。
当x =0.4时,软模解冻,Ba 1-x Sr x TiO 3铁电相不能维持而呈现顺电相结构。
关键词:Ba 1-x Sr x TiO 3;光学声子模;相结构中图法分类号:O657137 文献标识码:AR am an Study of N anocrystal B a 1-x Sr x TiO 3on FerroelectricPhase T ransitionGUO Hui 2fen ,ZHAN G Xing 2tang ,WU Chao ,GUO Hao ,L I Yun 2cai ,HUAN G Ya 2bin ,DU Zu 2liang(L aboratory of S pecial Functional M aterials ,Henan U niversity ,Kaif eng 475001)Abstract :The nanocrystal Ba 1-x Sr x TiO 3system with various Sr 2doped concentrations has been investigated by Raman scattering.The result indicated that with the increasing of Sr dopant ,the [E (TO )and A 1(TO )]optical phonon peak at 517cm -1splits into two peaks clearly and the lower frequency phonon mode shifts to the lower frequency ,and the higher frequency phonon mode shifts to the higher frequency.At room temperature ,as x =0.4,the soft mode is soften ,Ba 1-x Sr x TiO 3transforms from a ferroelectric tetragonal phase to a paraelectric cubic phase.K ey w ords :Ba 1-x Sr x TiO 3;Optical phonon mode ;Phase structure引 言钙钛矿钛酸钡(Ba TiO 3)铁电陶瓷由于具有高的介电常数,优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能而得到广泛的研究[1]。
Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究
第52卷第8期2023年8月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.8August,2023Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的光、电特性研究陈绍华1,穆文祥1,张㊀晋1,董旭阳1,李㊀阳1,贾志泰1,2,陶绪堂1(1.山东大学,新一代半导体材料研究院,晶体材料国家重点实验室,济南㊀250100;2.山东工业技术研究院,济南㊀250100)摘要:本文使用导模(EFG)法生长了Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶,并通过粉末X 射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量㊂进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni 2+掺杂对β-Ga 2O 3光学特性的影响,发现其(100)面的紫外截止边为252.9nm,对应的光学带隙为4.74eV㊂此外,阴极荧光(CL)光谱测试结果显示,Ni 2+掺杂β-Ga 2O 3单晶在600~800nm 具有宽带近红外发光特性,有望拓宽β-Ga 2O 3单晶材料在宽带近红外方面的应用㊂关键词:氧化镓;宽禁带半导体;光电性能;宽带近红外发光;导模法;Ni 掺杂中图分类号:O734;TQ133.5+1㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)08-1373-05Optical and Electrical Properties of Ni-Doped β-Ga 2O 3Single CrystalCHEN Shaohua 1,MU Wenxiang 1,ZHANG Jin 1,DONG Xuyang 1,LI Yang 1,JIA Zhitai 1,2,TAO Xutang 1(1.State Key Laboratory of Crystal Materials,Institute of Novel Semiconductors,Shandong University,Jinan 250100,China;2.Shandong Research Institute of Industrial Technology,Jinan 250100,China)Abstract :Ni-doped β-Ga 2O 3single crystals were grown by edge-defined film-fed growth (EFG)method,and the crystal structure and quality were verified by powder X-ray diffraction (PXRD)and Laue diffraction.The effect of Ni 2+doping on optical properties of β-Ga 2O 3was investigated by UV-Vis-NIR transmission spectra and infrared transmission spectra.It is found that the ultraviolet cut-off edge of (100)plane is 252.9nm and corresponding optical bandgap is 4.74eV.Furthermore,the broadband near-infrared luminescent property of Ni-doped β-Ga 2O 3was discovered by cathodoluminescence (CL)spectroscopy in the range from 600nm to 800nm,which is expected to broaden the application of β-Ga 2O 3crystal in broadband near-infrared.Key words :Ga 2O 3;wide-bandgap semiconductor;optical and electrical property;broadband near-infrared luminescent;EFG method;Ni doping ㊀㊀收稿日期:2023-03-01㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(52002219,51932004,61975098);广东省重点领域研发计划(2020B010174002);深圳市基础研究计划(JCYJ20210324132014038);111工程2.0(BP2018013)㊀㊀作者简介:陈绍华(1998 ),男,山东省人,硕士研究生㊂E-mail:1072114408@ ㊀㊀通信作者:穆文祥,博士,副教授㊂E-mail:mwx@ 贾志泰,博士,教授㊂E-mail:z.jia@ 0㊀引㊀㊀言作为超宽禁带半导体材料之一,β-Ga 2O 3具有高达4.8eV 的禁带宽度,且具有优秀的击穿场强和电子传导特性,其巴利加优值可达GaN 的4倍㊁SiC 的6倍,受到了广泛的关注㊂优秀的材料特性使其在深紫外光电器件[1]和大功率㊁高耐压㊁低损耗器件[2]等方面具有广阔的应用前景㊂目前,氧化镓的衬底尺寸不断增大,晶体质量不断提高,基于氧化镓制备的功率器件及光电器件的种类越来越丰富,器件性能越来越好㊂β-Ga 2O 3是氧化镓的几种晶相结构中唯一的热力学稳定相,属于单斜晶系中的C 2/m 空间群,其晶格常数a =1.2214nm,b =0.30371nm,c =0.57981nm,a ㊁c 之间的夹角约为103.83ʎ,每个晶胞包含4个Ga 2O 3,氧离子围成四面体和八面体,镓离子位于其中㊂目前,较为主流的生长方式有焰熔法(Verneuil method)㊁光1374㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷学浮区(optical floating zone,OFZ)法㊁导模(edge-defined film-fed growth,EFG)法㊁垂直布里奇曼(verticalBridgman,VB)法㊁提拉(Czochralski,CZ)法,每个方法都具有自己独特的生长优势㊂导模法可以生长大尺寸㊁高质量的掺杂晶体,目前最大尺寸已经达到6英寸(1英寸=2.54cm)㊂Cr㊁Mn㊁Fe㊁Ni等过渡族金属离子具有丰富的光学性质,被科研工作者大量研究㊂Galazka等[3]发现Cr3+的掺入使β-Ga2O3在290㊁428㊁600nm处出现了3个吸收带,而且其吸收强度随Cr3+掺量的增多而增大;Mu 等[4]发现Ti4+掺杂的β-Ga2O3单晶具有很长的室温荧光寿命;Li等[5]通过对β-Ga2O3单晶掺杂V5+并退火,发现其在2.5eV附近出现超宽的绿光发射波段㊂Ni2+位于卤化物及氧化物的八面体晶格中时,会表现出多激发态参与跃迁过程,并且伴随着上转换发光过程㊂目前已有大量的材料因为Ni2+的掺杂出现了明显的发光带,如Ni2+ʒSLN㊁Ni2+ʒMgGa2O4㊁Ni2+ʒZnSiO3等[6-8]㊂但关于β-Ga2O3的Ni2+掺杂研究工作较少,且主要集中在第一性原理和电学研究[9-10]㊂Ni2+掺杂β-Ga2O3单晶可能具备丰富的光电磁特性,值得深入研究㊂本文使用EFG法生长了Ni掺杂β-Ga2O3单晶,并通过粉末X射线衍射图谱和劳厄衍射图样证明了其良好的晶体结构和结晶质量㊂重点研究了Ni2+的掺入对β-Ga2O3单晶的光学㊁电学特性的影响,通过阴极荧光(CL)光谱首次发现了其宽带近红外发光特性㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀单晶生长本实验使用自主设计的导模炉,加热方式为感应加热,由贵金属铱金构成的坩埚作为感应加热的加热体,并将保温材料放置于加热体及线圈中间㊂坩埚尺寸为ϕ60mmˑ60mm,模具截面尺寸为25mmˑ4mm㊂晶体主面为(100)面,生长方向为<010>㊂本实验的气氛为1%O2㊁70%CO2和29%N2(体积分数),压强为1atm㊂晶体生长使用的原料为5N(99.999%)级Ga2O3及4N(99.99%)级的NiO,通过混料机混合60h,待混料均匀后通过模具压制成型㊂将Ga2O3原料放入铱金坩埚中,以300ħ/h的升温速度使原料升温熔化,其熔体由于毛细作用而上升并在模具表面铺开㊂将功率调整合适后稳定2~3h,将<010>方向的高质量β-Ga2O3籽晶缓慢下降至接触模具表面㊂稳定10~15min后,开始提拉,晶体生长进入收颈阶段㊂收颈5~7mm后,调整拉速和功率,进入放肩阶段㊂待晶体铺满整个模具表面时,此时放肩完成,进入等径生长阶段㊂待等径生长到预期的长度后,调高拉速,提脱晶体,并以100ħ/h的速度缓慢降温,直至整个晶体生长过程结束㊂1.2㊀样品测试使用XᶄPert3Powder&XRK-90原位X射线衍射仪对晶体结构进行粉末X射线衍射(PXRD)测试㊂紫外-可见-近红外(ultraviolet-visible-near-infrared,UV-Vis-NIR)透过光谱使用PermkinElmer公司生产的Lambda950型紫外-可见-近红外分光光度计进行测试㊂测试的波长范围为200~1000nm㊂红外透过光谱使用英国PerkinElmer公司生产的Spectrum100FT-IR光谱仪进行测试㊂测试的波长范围为1250~25000nm㊂使用LC-06劳厄衍射仪进行劳厄衍射测试㊂使用FEI Talos C350光谱仪进行CL光谱测试㊂测试的波长范围为200~800nm㊂使用X SERIES2型电感耦合等离子体质谱仪及710型电感耦合等离子体发射光谱仪进行电感耦合等离子体(inductive coupled plasma,ICP)测试,获得了杂质浓度㊂2㊀结果与讨论2.1㊀物相分析与晶体质量测试通过EFG法生长所获得的Ni掺杂β-Ga2O3晶体样品如图1(a)所示,晶体整体呈黄褐色㊂由表1的ICP测试结果可知,Ni2+实际掺入浓度为0.00645%(质量分数),在β-Ga2O3晶体中的元素浓度为3.04ˑ1018cm-3,掺杂颜色较为均匀㊂对β-Ga2O3晶体进行了PXRD测试,并根据图谱进行晶型鉴定,将所有尖锐的衍射峰的位置与标准β-Ga2O3晶体JCPDS卡(编号41-1103)进行对比㊂测试结果表明,所生长晶体均为β相,无其他杂相存在㊂㊀第8期陈绍华等:Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的光㊁电特性研究1375㊀对晶体进行了劳厄衍射测试,结果如图2所示㊂β-Ga 2O 3单晶(100)面的劳厄图样斑点具有较高的清晰度,且沿着测试中心呈现较好的对称性,图2(a)㊁(b)不同位置的劳厄衍射结果具有很高的相似度,证明所生长的晶体具备较高的晶体质量㊂而且劳厄衍射斑点无重影现象出现,证明晶体的单晶性较好,内部无多晶存在㊂表1㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的ICP 测试结果Table 1㊀ICP test result of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystalElement In Cu Fe Al Pb Sn Zn Ni Cd Mg Ti Mass fraction /(10-4%)0.50.12.76.40.10.10.764.50.10.10.1Element Sb Ca Si Zr Co Cr K Mn B Bi Mass fraction /(10-4%)0.1 3.711.1 4.80.10.10.50.10.50.1图1㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶生长状态㊂(a)晶体图片;(b)PXRD 图谱Fig.1㊀Growth state of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystal.(a)Picture of crystal;(b)PXRD pattern 图2㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶(100)面不同位置的劳厄衍射图样Fig.2㊀Laue diffraction patterns of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystal (100)plane at different locations 2.2㊀光电性能室温下0.5mm 厚度的Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的紫外-可见-近红外透过光谱如图3(a)所示,其紫外截止边为252.9nm㊂如图3(b)所示,由公式(αhν)1/m =A (hν-E g )可以求得Ni 掺杂晶体的光学带隙为4.74eV,其中:α是由光谱学测得的吸收系数,m 的值是1/2,h 是普朗克常数,ν是入射光子的频率,hν是光子能量,A 是常数,E g 是光学带隙㊂本征Ga 2O 3光学带隙约为4.76eV [11],Ni 掺杂后带隙变化较小,超宽禁带特性没有发生改变,且紫外截止边仍处于200~280nm 的日盲波段㊂如图4所示,Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶在红外及近红外波段都保持较高的透过率㊂当Ga 2O 3因为掺杂等原因具有较高的载流子浓度时,其近红外波段会产生强烈的光吸收,表现为该波段透过率明显下降[12]㊂非故意掺杂及半绝缘β-Ga 2O 3单晶红外及近红外波段透过率均在80%左右,而在载流子浓度为1ˑ1019cm -3时,近红外波段的透过率最高点仅约60%[13]㊂通过该现象可以推测Ni 2+的引入并没有赋予β-Ga 2O 3导电特性,晶体为半绝缘,而且载流子浓度的提高使得红外截止边有明显的下降㊂在非故意掺杂晶体中,红外截止边约1376㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷为11μm,而在载流子浓度为2.25ˑ1018cm -3时,红外截止边会降低至4μm 左右[11]㊂Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的红外截止边大于11μm,推测Ni 2+为深能级受主,捕获了部分自由电子[10]㊂图3㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的紫外-可见光谱结果㊂(a)透过光谱;(b)(αhν)2和hν的Tauc 图Fig.3㊀Results of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystal UV-Vis spectrum.(a)Transmission spectrum;(b)Tauc plot of (αhν)2versusuhν图4㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的红外透过光谱Fig.4㊀Infrared transmission spectrum of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystal 对Ni 掺杂β-Ga 2O 3晶体进行CL 光谱测试,结果如图5所示㊂从图5(a)中可以看出,晶体在240~600nm 的最大峰强位于367.9nm 处,该峰在未掺杂β-Ga 2O 3单晶中同样可以测得[14]㊂从图5(b)中可以看出,在560~800nm 出现了明显的峰,最大峰强出现在695.1nm 处㊂此峰的出现可能是因为Ni 2+具有3d 8的电子构型,作为发光材料的激活剂,进入了β-Ga 2O 3的八面体晶格位点中,取代Ga 3+㊂而Ni 2+一般具有700~800nm 的近红外波段发光是由1T 2g (1S)ң3T 2g (3F)跃迁引起[15]㊂Ni 2+掺杂使得β-Ga 2O 3晶体出现了695.1nm 处的发射峰,使其具有了一定宽带近红外发光特性,为β-Ga 2O 3晶体提供了用于宽带近红外发光器件领域的可能性㊂而且当晶格场不同时,3T 2g ㊁3T 1g ㊁1E g 等能级都会产生一定的蓝移,会明显影响到宽带发射的发射峰峰位,因此Ni 2+还具有红绿光波段范围内波长可调的优点[15]㊂图5㊀Ni 掺杂β-Ga 2O 3单晶的CL 光谱测试结果㊂(a)紫外-可见波段;(b)可见-近红外波段Fig.5㊀CL spectroscopy results of Ni-doped β-Ga 2O 3single crystal.(a)UV-Vis band;(b)Vis-NIR band㊀第8期陈绍华等:Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光㊁电特性研究1377㊀3㊀结㊀㊀论本文使用导模法生长了高质量Ni掺杂β-Ga2O3单晶㊂XRD图谱及劳厄衍射图样显示,晶体的结晶质量较高,晶体结构未因为掺杂发生改变㊂晶体的近红外波段未见明显的光吸收,具有半绝缘的电学性能,其光学带隙约为4.74eV,紫外截止边仍在日盲波段内,作为半绝缘衬底可用于制备高温㊁高压㊁大功率器件㊂本研究通过CL光谱发现了Ni掺杂β-Ga2O3单晶在600~800nm波段的宽带近红外发光特性,表明其在宽带近红外领域具有较高的应用前景,为β-Ga2O3器件的丰富化和快速发展提供了参考㊂参考文献[1]㊀NAKAGOMI S,MOMO T,TAKAHASHI S,et al.Deep ultraviolet photodiodes based onβ-Ga2O3/SiC heterojunction[J].Applied PhysicsLetters,2013,103(7):072105.[2]㊀KIM J,OH S,MASTRO M A,et al.Exfoliatedβ-Ga2O3nano-belt field-effect transistors for air-stable high power and high temperatureelectronics[J].Physical Chemistry Chemical Physics:PCCP,2016,18(23):15760-15764.[3]㊀GALAZKA Z,GANSCHOW S,FIEDLER A,et al.Doping of Czochralski-grown bulkβ-Ga2O3single crystals with Cr,Ce and Al[J].Journalof Crystal Growth,2018,486:82-90.[4]㊀MU W X,JIA Z T,CITTADINO G,et al.Ti-dopedβ-Ga2O3:a promising material for ultrafast and tunable lasers[J].Crystal Growth&Design,2018,18(5):3037-3043.[5]㊀LI P K,HAN X L,CHEN D Y,et al.Effect of air annealing on the structural,electrical,and optical properties of V-dopedβ-Ga2O3singlecrystals[J].Journal of Alloys and Compounds,2022,908:164590.[6]㊀SUZUKI T,SENTHIL MURUGAN G,OHISHI Y.Spectroscopic properties of a novel near-infrared tunable laser material NiʒMgGa2O4[J].Journal of Luminescence,2005,113(3/4):265-270.[7]㊀张嗣春,夏海平,王金浩,等.Ni2+掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的生长及光谱特性[J].光学学报,2008,28(1):138-142.ZHANG S C,XIA H P,WANG J H,et al.Growth and optical properties of near-stoichiometric Ni2+-doped lithium niobate crystal[J].Acta Optica Sinica,2008,28(1):138-142(in Chinese).[8]㊀张印东.Ni2+掺杂微晶玻璃近红外宽带发光调控研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2020.ZHANG Y D.Study on near-infrared broadband luminescence regulation of Ni2+doped glass-ceramics[D].Harbin:Harbin Engineering University,2020(in Chinese).[9]㊀XIAO W Z,WANG L L,XU L,et al.Electronic structure and magnetic interactions in Ni-dopedβ-Ga2O3from first-principles calculations[J].Scripta Materialia,2009,61(5):477-480.[10]㊀GALAZKA Z,IRMSCHER K,SCHEWSKI R,et al.Czochralski-grown bulkβ-Ga2O3single crystals doped with mono-,di-,tri-,and tetravalentions[J].Journal of Crystal Growth,2020,529:125297.[11]㊀付㊀博.导模法柱状β-Ga2O3单晶生长㊁缺陷及性能研究[D].济南:山东大学,2022.FU B.Study on growth,defects and properties of columnarβ-Ga2O3single crystal by guided mode method[D].Jinan:Shandong University, 2022(in Chinese).[12]㊀FU B,JIAN G Z,MU W X,et al.Crystal growth and design of Sn-dopedβ-Ga2O3:morphology,defect and property studies of cylindrical crystalby EFG[J].Journal of Alloys and Compounds,2022,896:162830.[13]㊀GALAZKA Z,IRMSCHER K,UECKER R,et al.On the bulkβ-Ga2O3single crystals grown by the Czochralski method[J].Journal of CrystalGrowth,2014,404:184-191.[14]㊀穆文祥.β-Ga2O3单晶的生长㊁加工及性能研究[D].济南:山东大学,2018.MU W X.Growth,processing and properties ofβ-Ga2O3single crystal.[D].Jinan:Shandong University,2018(in Chinese). [15]㊀赵㊀靖.3d过渡金属离子(Mn2+,Fe3+,Ni2+)发光的影响因素研究[D].合肥:合肥工业大学,2021.ZHAO J.Study on influence factors of3d transition metal ions(Mn2+,Fe3+,Ni2+)luminescence[D].Hefei:Hefei University of Technology, 2021(in Chinese).。
钙钛矿型复合氧化物
钙钛矿型复合氧化物引言钙钛矿型复合氧化物是一种具有广泛应用前景的材料，其特殊的晶体结构和优异的物理化学性质使其在能源转换、电子器件、催化剂和光电探测等领域有着重要的应用。
本文将对钙钛矿型复合氧化物的结构、合成、性质以及应用进行综述和分析。
一、钙钛矿型复合氧化物的结构钙钛矿型复合氧化物是一类具有ABO3化学式的化合物，其中A位是一价或二价金属离子，B位是三价金属离子。
在钙钛矿型结构中，A位离子和BO6八面体共同构成空间网格，BO6八面体由六个氧离子包围。
典型的钙钛矿型结构是立方晶系，但也存在着许多变种，例如斜方钙钛矿型、三斜钙钛矿型等。
钙钛矿型复合氧化物的结构可以通过X射线衍射、电子显微镜等技术进行表征。
通过这些技术，可以确定钙钛矿型复合氧化物的晶胞参数、晶格畸变和晶体缺陷等信息，进而了解其结构与性质之间的相互关系。
二、钙钛矿型复合氧化物的合成方法钙钛矿型复合氧化物的合成方法多种多样，常见的包括溶胶-凝胶法、水热法、固相反应法和物理气相沉积法等。
1.溶胶-凝胶法：该方法通过溶胶的形态转变为凝胶，然后通过热处理得到所需的复合氧化物。
溶胶-凝胶法具有反应温度低、精密控制结构和组成的优点。
2.水热法：该方法利用水的高温高压性质，在水溶液中进行合成反应。
水热法通常可以制备具有较高结晶度和较细颗粒尺寸的复合氧化物。
3.固相反应法：该方法是通过固相反应使原料中的元素发生化学反应，形成所需的复合氧化物。
固相反应法适用于高温合成，但反应条件较为严格。
4.物理气相沉积法：该方法通过在基底上沉积物理蒸发或溅射的薄膜，形成钙钛矿型复合氧化物。
物理气相沉积法适用于制备薄膜和异质结构。
三、钙钛矿型复合氧化物的性质钙钛矿型复合氧化物具有许多独特的物理和化学性质，使其在各个领域具有广泛的应用潜力。
1.光学性质：钙钛矿型复合氧化物具有优异的光学性质，例如光吸收、发光和非线性光学特性。
这些性质使其在光电器件、光催化和光学传感等领域有着重要的应用。
ABO_3型钙钛矿结构光催化剂的合成及掺杂改性技术研究进展
由于光生空穴为正电性，极易捕获能量相匹配 的电子而复原，故呈现出强氧化性，可夺取半导体颗 粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光 的物质被活化氧化，光生电子为负电性，所以呈现出 高还原性，这样光照的结果使半导体产生了氧化／还 原电对。物质能否在半导体界面进行光催化反应，是 该物质的氧化／还原电位和半导体的能带位置决定的 [1]。半 导 体的 价带 能 级代 表该 半 导体 空穴 的 氧化 电位 的极限，任何具有氧化电位在价带位置以上的物质原 则上都可被光生空穴氧化，同理任何具有还原电位在 导带以下的物质都可被光生电子还原。与金属不同， 半导体粒子的能带间缺少连续区域，电子～空穴对寿
类:物理法和化学法。物理法主要有低温粉碎法、超声
实验结果表明不同材料及燃烧氧化剂摩尔比对燃烧物的晶相结构晶粒大小和微观形貌都有显著的影提高光催化性能的方法abo型钙钛矿氧化物结构中bo6八面体结构中条简并轨道分裂为能量较高的eg能量较低的t2g轨道当egt2g轨道上的电子处于不饱和状态时费米能级升高电子逸出功变小电发跃迁从而提高了材料的催化活性
第03期
一来源：
O2+ e- →O2- .
O2- .+ H+→H O2.
HO2. + HO2. →H2O2+O2 H2O2+ O2- .→HO. +OH- +O2
氘 同位素试 验和ESR[4] 研 究均已证 明，.OH是一 种
主要活性 物质[5]。它 无论是在吸附相 还是在溶液相都 能
引起物质的化学反应，是光催化氧化主要的氧化剂， 且.OH可以氧化 包括生物难 以转化的各种 有机物并使 之
abo3型化合物
abo3型化合物
ABO3型化合物是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料。
它是一类陶瓷氧化物，分子通式为ABO3，结构具有独特性。
此类化合物在凝聚态物理方面应用及研究甚广，所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之，因此又名“113结构”。
ABO3型化合物具有超导性质和三方层状钙钛结构，所属晶系主要有正交、立方、菱方、四方、单斜和三斜晶系。
这类化合物在电子陶瓷工业中扮演着重要角色，由于其具有高介电常数和低介电损耗，被广泛运用于各类半导体被动元器件中。
随着电子元器件微型化的发展，人们对钛酸钡粉体提出了小粒径、高分散等要求以满足市场应用的需要。
钙钛矿型复合氧化物ABO3在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域都有广泛的应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
致谢在本论文完成之际，作者首先对导师王月花副教授致以最衷心的感谢，感谢王老师三年来对我工作、学习和生活上的指导、关心及帮助。
本论文是在导师王月花副教授的悉心指导和不断鼓励下完成的，可以说，从论文的选题到论文的完成，每一个环节都倾注了王老师很大的心血。
学术上王老师以身作则，对工作一丝不苟，严谨的治学态度，精益求精的探索精神深深地影响着我。
特别使我难忘的是王老师在百忙之中帮我字斟句酌的修改英文论文，使我的英语写作水平有了很大的提高。
在此，再一次向倾心指导和培养我的王月花副教授致以诚挚的谢意。
在三年的学习中，唐刚教授、韩奎教授、张国营教授、杨先清教授、殷春浩教授、吴玉喜副教授、沈义峰副教授、牟致栋副教授等多位老师也给予了作者很大的帮助。
在这里还要感谢段益峰老师、石礼伟老师和师姐潘红亮，他们的热心帮助使我克服了许多困难。
此外，研究生同学周伟、赵强、胡智向等多位同学曾与作者进行过有益的讨论，在此一并致谢！作者学业的顺利完成离不开家人的帮助和支持，在此也衷心地向他们说一声：谢谢！感谢参与评审的各位老师对我论文的进一步提高提出的宝贵意见。
摘 要ABO 3型钙钛矿材料因其优异的铁电和铁磁特性而受到人们的广泛关注，对于这些特性的微观机理探索也已经成为了一个研究热点。
计算机技术的快速发展使研究真实材料的电子结构成为可能，而密度泛函理论给研究材料的物理性质提供了坚实的理论基础。
因此，基于密度泛函理论的第一性原理计算，就成为研究材料基态性质的强大工具。
通过计算，我们不仅可以解释材料的物理性质，而且可以任意改变材料的形状或所处的环境，从而去模拟不同条件下材料的行为。
这就可以为预测材料的新性能或者指导新材料的合成提供依据。
本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对ABO 3型掺杂材料x 1-x 3BiAl Ga O 和1-x x 3Y Ca TiO 进行了系统的研究，从电子结构和光学响应方面揭示这些材料的特性。
主要内容如下：一、对正交相x 1-x 3BiAl Ga O 铁电材料的电子特性和光学性质进行了研究。
目前，关于x 1-x 3BiAl Ga O 的研究主要集中在实验合成方面，理论上的报道很少。
为了了解其铁电性以及光学特性与内部电子结构的关系，本文采用第一性原理全势线性缀加平面波方法对x 1-x 3BiAl Ga O 的晶体结构、体模量、能带、态密度及光学响应进行了计算，发现轨道杂化有利于铁电结构的稳定性。
本文还讨论了Al 掺杂浓度对材料性能的影响，并从理论上给出了相应的解释，预言了x 1-x 3BiAl Ga O 是一种可利用的介电材料。
二、本文利用第一性原理全势线性缀加平面波方法对正交相1-x x 3Y Ca TiO 铁磁材料的晶体结构、磁矩、能带、态密度、电子密度分布和光学性质进行了计算。
分析了Ca 掺杂浓度对其磁性以及内部电子结构的影响，并结合实验结果对掺杂后光学性质的变化的机理进行了讨论，得到了一些有意义的结果。
该论文有图16幅，表4个，参考文献59篇。
关键词：x 1-x 3BiAl Ga O ，1-x x 3Y Ca TiO ，第一性原理，电子结构，光学性质AbstractThe ABO 3-perovskites have attracted much interest because of their excellent ferroelectric and ferromagnetic properties, and the explorations of their microscopic mechanism become an active research front. With the development of computer, the computation of electronic structure for practical materials has become available. On the other hand, density function theory gives a firmly theoretical foundation for the study of ground states of materials. Then the first principle calculation based on density function theory has become one of the most powerful tools in condensed matters. With the first principle calculation, we can not only get properties of material, but also simulate their behaviors under different conditions. This means that we can predict the properties of materials or design the required materials.In this thesis, First-principles calculation based on density functional theory are performed for doping-ABO 3 materials x 1-x 3BiAl Ga O and 1-x x 3Y Ca TiO . It is our intention to clarify the properties of these materials by the electronic structure and optical properties. The main contents are as follows:First, the electronic structure and optical properties of orthorhombic x 1-x 3BiAl Ga O are studied. At present, the research are mainly concentrating on experimental synthesis, there is few reports about theory. To find out the relationship between ferroelectric properties and electronic structure, the crystal structure, bulk moduli, energy band, densities of states and optical properties are systematically calculated using the full potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) method. The result shows that orbital hybridizations can help keeping the stability of ferroelectric structure. The effect to the properties with different Al concentration is analyzed and explained in theory. It is proposed that x 1-x 3BiAl Ga O is a promising dielectric material.Second, the crystal structures, magnetic moments, band structures, density of states and charge-density distributions of orthorhombic 1-x x 3Y Ca TiO are calculated using the full potential linearized augmented plane wave method. The effects to the magnetism and electronic structure with different Ca concentration are discussed. Furthermore ，the change of optical properties is analyzed after doping in comparison with the experimental results.Key words: x 1-x 3BiAl Ga O ;1-x x 3Y Ca TiO ; First-Principles; Electronic structure;Optical properties目录摘要 (Ⅰ)目录 (Ⅲ)图清单 (Ⅴ)表清单 (Ⅵ)1 绪论 (1)1.1 物质的铁电性 (1)1.2 物质的磁性 (5)1.3 本文的工作和目的 (11)2 理论基础 (13)2.1 密度泛函理论 (13)2.2 全势线性缀加平面波方法 (19)3 BiAl x Ga1-x O3的电子结构和光学性质 (25)3.1 引言 (25)3.2 计算结果及讨论 (27)3.3 本章小结 (33)4 Y1-x Ca x TiO3的电子结构和光学性质 (35)4.1 引言 (35)4.2 计算结果及讨论 (36)4.3 本章小结 (41)5总结 (43)参考文献 (45)作者简介 (49)学位论文原创性声明 (50)学位论文数据集 (51)Contents Abstract (Ⅰ)Contents (Ⅲ)List of Figures (Ⅴ)List of Tables (Ⅵ)1 Introduction (1)1.1 Ferroelectrics of Materials (1)1.2 Magnetism of Materials (5)1.3 The Work and Purpose of This Thesis (11)2 Theoretical Basis (13)2.1 Density Functional Theory (13)2.2 The Full Potential Linearized Augmented Plane Wave Method (19)3 Electronic Structure and Optical Properties of BiAl x Ga1-x O3 (25)3.1 Introduction (25)3.2 Results and Discussions (27)3.3 Conclusions of the Chapter (33)4 Electronic Structure and Optical Properties of Y1-x Ca x TiO3 (35)4.1 Introduction (35)4.2 Results and Discussions (36)4.3Conclusions of the Chapter (41)5 Conclusions (43)Refere nces (45)Author’s Resume (49)Declaration of Thesis Originality (50)Thesis Data Collection (51)图清单表清单1绪论1绪论1 Introduction1.1 物质的铁电性（Ferroelectrics of Materials）1.1.1铁电性的基本概念铁电晶体是热释电族中的一类晶体，铁电晶体最本质的特征是具有自发极化。