M2O5(M=V,Nb,Ta)的电子结构、光学和弹性性质的理论研究

摘要

过渡金属氧化物M2O5(M=V,Nb,Ta)由于电子局域性较强，展现出各种优良特性(高介电常数、低介电损耗、宽带隙、薄膜高硬度、良好的稳定性等)，广泛应用于各个领域，如电容器、透明光学器件、染料敏化太阳能电池、催化和电致变色器件、信息存储以及传感器的应用等。但是，在不同的温度和压力下，M2O5(M=V,Nb,Ta)存在种类非常多的相结构，且现有实验上进行性质分析的M2O5(M=V, Nb, Ta)结构种类较为固定，而单斜δ-V2O5、ζ-Nb2O5和B-Ta2O5系列的理论研究较少涉及。
　　本研究基于第一性原理的密度泛函理论对单斜晶系的δ-V2O5、ζ-Nb2O5和B-Ta2O5，记为m-M2O5(M=V,Nb,Ta)，进行了探讨。利用CASTEP模块中的广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)研究了材料的电子结构、光学性质、弹性性质以及热导率等性质。考虑到电子结构对探索光学器件材料的重要性，在计算电子结构和光学性质时利用了剪刀算符对结果进行修正，并研究了在不同压力下m-M2O5(M=V,Nb,Ta)的带隙变化情况。结果表明，m-M2O5(M=V,Nb,Ta)的带隙大小为δ-V2O5(2.81eV)＜ζ-Nb2O5(3.91eV)＜B-Ta2O5(4.21eV)，都属于间接带隙半导体材料，态密度中具有强键合峰，存在sp杂化。加压后，m-M2O5(M=V,Nb,Ta)的带隙变化明显，且都出现了临界点。讨论了和电子结构密切关联的介电函数、吸收谱、折射率等光学性质。由于此类金属氧化物一般会在高温高压的条件下合成，因此了解微裂纹、晶格畸变对其性能的影响非常重要。我们对m-M2O5(M=V,Nb,Ta)的弹性性质进行分析后，发现m-M2O5(M=V,Nb,Ta)均具有较大的弹性模量，且为弹性各向异性材料。另外，热导率的计算表明m-M2O5(M=V,Nb,Ta)都属于良好的热障材料。对宽带隙、高介电函数的β-Ta2O5晶体进行了原子替换，重构为新材料V2O5、Nb2O5，记为β-M2O5(M=V,Nb,Ta)结构。同样利用第一性原理，在电子结构和光学性质的计算中另外选用模守恒赝势(NCPP)和HSE06杂化泛函对晶体进行了系统研究，其他参数与m-M2O5(M=V,Nb, Ta)相似。结果表明，β-V2O5为金属性材料，其价带穿越了费米能级但未与导带相交，这意味着在外界环境的改变下，其导电性容易随之改变，易于调节其性能。而β-Nb2O5和β-Ta2O5均具有直接带隙，属于半导体材料。随着压力的增加，带隙变化趋势缓慢，其中，β-Ta2O5没有出现带隙值先增加后减小的现象。在光学性质的计算中，观察到了介电函数、吸收谱、折射率等和电子结构的关系，在紫外光区能看到电子的带间跃迁和带内跃迁。而弹性性质表明，m-M2O5(M=V,Nb,Ta)的体弹模量、剪切模量和杨氏模量都大于m-M2O5(M=V,Nb,Ta)，并且具有更大的各向异性。同样的，β-M2O5(M=V,Nb,Ta)具有较小的最小热导率，可作为阻热材料等。

目录

第1章 绪 论

1.1 半导体概述

1.2 过渡金属氧化物半导体材料的性质

1.3 M2O5(M=V, Nb, Ta)化合物的研究现状

1.4 选题目的与意义

1.5 研究思路与方法

第2章 第一性原理

2.1 量子力学和固体物理基础

2.2 密度泛函理论

2.3 计算程序简介

2.4 本章小结

第3章 单斜晶系M2O5 (M=V, Nb, Ta)的理论研究

3.1 计算方法和理论模型

3.2 结构优化

3.3 电子结构

3.4 光学性质

3.5 弹性性质

3.6 最小热导率

本章小结

第4章 正交晶系M2O5 (M=V, Nb, Ta)的理论研究

4.1 计算方法和理论模型

4.2 电子结构

4.3 光学性质

4.4 弹性性质

4.5 最小热导率

本章小结

第5章 结 论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文