钇稳定氧化锆空位型缺陷的第一性原理计算

摘要

钇稳定氧化锆(YSZ)，即掺杂氧化钇(Y2O3)的二氧化锆(ZrO2)，能够在很宽的温度范围类保持立方萤石的晶体结构。由于在高温时具有很高的离子导电性同时有很高的电阻，钇稳定氧化锆在众多领域的使用都很广泛。比如用作固体氧化物燃料电池的电解质，或者氧传感器的离子导体。因此，较好地认识其原子结构和相稳定性，对更好地应用这个材料是十分重要的。目前，关于YSZ的研究很多，实验和理论上的都有。然而，不同的研究之间也存在一些冲突之处。
　　本研究主要是基于密度泛函理论的平面波方法。全部计算都采用的计算软件是Vienna第一性原理计算软件包(VASP)。然后将计算结果与热力学建模方法相结合，研究YSZ中氧空位缺陷相中的氧空位分布以及在不同温度和压力下的氧空位缺陷相图。首先，我们优化了立方氧化锆的的晶格参数，计算得到了立方二氧化锆以及σ=0时化学式为Zr1-xYxO2-0.5x-σ的YSZ中能量最低原子构型。我们所得到的二氧化锆晶格常数为α=5.15埃，与实验值比较接近。关于氧空位在YSZ晶胞中的分布，我们的计算结果表明氧空位倾向于按<112>方向排列。这部分的计算一方面可以为下一步结合热力学计算YSZ的缺陷相图提供数据，一方面验证我们计算的合理性。然后，我们计算得到了非化学计量YSZ(Zr1-xYxO2-0.5x-σ)的氧空位分布以及基态能量。结合热力学方法，给出了非化学计量YSZ在不同温度和氧分压下的相图。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 二氧化锆的基本性质

1．2 二氧化锆有关材料的应用

1．3 钇稳定氧化锆的研究现状

1．4 固体氧化物燃料电池简介

1．4．1 SOFC电解质基本传导原理

1．4．2 SOFC电解质研究现状

1．5 本论文的研究内容

第二章 第一性原理计算理论

2．1 绝热近似

2．2 Hartree-Fock理论

2．3 密度泛函理论

2．3．1 Thomas-Fermi模型

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理

2．3．3 Kohn-Sham方程

2．4 交换关联泛函

2．4．1 局域密度近似

2．4．2 广义梯度近似

2．5 周期性固体的电子结构

2．5．1 布洛赫定理

2．5．2 平面波

2．5．3 赝势方法

2．6 本章小结

第三章 钇稳定氧化锆空位型缺陷的计算分析

3．1 理论模型

3．2 计算方法

3．3 计算结果

3．3．1 二氧化锆计算结果分析

3．3．2 钇稳定氧化锆空位缺陷的计算分析

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

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