用第一性原理研究VO2相变以及氧空位对相变的影响

摘要

二氧化钒(VO2)是一种具有广泛应用前景的热致相变材料，随着温度的降低，VO2将发生从金属相到绝缘体相的转变并伴随着晶格对称性的变化，相变温度为340K，VO2晶格结构从四方金红石突变为单斜结构，同时，光学特性也随之发生变化，并且相变是可逆的;另外，VO2能在多种激励方式下发生相变，例如热致、光致、电致及应力致相变等，因此这种材料具有重要的研究价值。利用VO2相变做成的各种器件在通信，信息存储，传感等领域也有着广泛的应用。在基础研究方面，金属-绝缘体相变是凝聚态物理中一个非常重要的现象，是强关联体系中电子性质研究的重点和中心课题。
　　本文基于密度泛函理论(DFT)计算了相变前后含不同氧空位浓度VO2块材料和纳米线超胞模型的电子结构和光学性质。运用GGA+U计算单斜相（M1相）VO2块材料超胞的电子结构，构造氧空位缺陷，进行几何结构的优化及性质的计算，运用GGA计算四方金红石相（R相）VO2块材料超胞对应的性质，构造VO2纳米线结构超胞，并计算其存在氧空位前后的电子结构及光学性质，来模拟研究氧空位缺陷对VO2块材料及VO2纳米线结构相变性质的影响。
　　计算结果显示，M1相VO2块材料带隙为0.796eV，氧空位浓度分别为1.04％和2.08％时带隙为0.772eV和0.687eV，因此当在VO2相变过程中氧空位能减少相变所需要的能量势垒，可以促进VO2相变。而在R相VO2块材料中氧空位浓度对于其电子结构和光学性质的影响会随着氧空位具体的位置不同而不同。VO2纳米线结构M1相超胞不含氧空位及含一个氧空位时的带隙分别为0.692eV和0.471eV，与M1相VO2块材料表现出相似特性。VO2纳米线结构R相超胞存在氧空位前后费米能级均穿过导带，表现为金属态。因此，VO2纳米线结构中引入氧空位也能促进其相变过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 VO2材料的研究背景

1．2 VO2的相变机理介绍

1．3 VO2相转变的激励方式及其机理介绍

1．4 VO2相变性质的应用前景

1．5 本文的研究内容

第2章 理论基础

2．1 多粒子问题

2．2 解决多粒子问题的早期尝试

2．2．1 自由电子模型

2．2．2 Hartree和Hartree-Fock方法

2．2．3 Thomas-Fermi理论

2．2．4 多电子体系近似方法

2．3 密度泛函理论

2．3．1 Hohenberg-Kohn定理

2．3．2 Kohn-Sham方程

2．4 LDA和GGA近似处理方法

2．5 赝势平面波方法

2．6 Materials Studio介绍

第3章 VO2块材料相变特性及氧空位缺陷的影响研究

3．1 单斜相(M1相)VO2块材料相变特性及氧空位的影响研究

3．1．1 M1相VO2块材料相变性质计算

3．1．2 氧空位浓度对M1相VO2块材料电学性质的影响

3．1．3 氧空位浓度对M1相VO2块材料光学性质的影响

3．2 四方金红石相(R相)VO2块材料相变特性及氧空位的影响研究

3．2．1 R相VO2块材料相变性质计算方法

3．2．2 氧空位浓度对R相VO2块材料电学性质的影

3．2．3 氧空位浓度对R相VO2块材料光学性质的影响

3．3 电子库伦排斥作用对VO2相变性质的影响研究

3．4 本章小结

第4章 VO2纳米线相变特性及氧空位缺陷的影响研究

4．1 单斜相(M1相)VO2纳米线相变特性及氧空位影响研究

4．1．1 M1相VO2纳米线相变性质计算方法

4．1．2 氧空位浓度对M1相VO2纳米线电学性质的影响

4．1．3 氧空位浓度对M1相VO2纳米线光学性质的影响

4．2 四方金红石相(R相)VO2纳米线相变特性及氧空位影响研究

4．2．1 R相VO2纳米线相变性质计算方法

4．2．2 氧空位浓度对R相VO2纳米线电学性质的影响

4．2．3 氧空位浓度对R相VO2纳米线光学性质的影响

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢