Cr、La共掺杂SnO2电子结构和力学性能的第一性原理研究

摘要

电触头材料AgSnO2的第二相SnO2是一种硬度高较脆,难以加工的宽禁带半导体材料.基于密度泛函理论的第一性原理和平面波超软赝势法,应用Materials studio软件下CASTEP模块建立Cr、La单掺、共掺SnO2晶胞模型,掺杂比例为16.67％,几何优化后分别计算焓变值、电荷布局、能带结构、态密度、弹性模量,分析研究掺杂后SnO2电学性能和力学性能的变化.结果表明,各SnO2体系在热力学和动力学上都是稳定的,掺杂后Sn-O键布局数减小,Sn、O间电荷重叠减弱,O原子向杂质原子Cr移动,Cr-O成键能力强,共价性高,电子转移剧烈.掺杂后带隙值减小,导电性提高,其中Cr-La共掺SnO2体系由于Cr 3d和La 5d轨道的杂化作用,在费米能级处形成杂质能级,电子跃迁所需能量大幅减小,导电性最好.力学性能方面,各SnO2体系的剪切模量和杨氏模量变化趋势是相似的.单掺Cr可提高SnO2抵抗剪切形变和弹性形变能力,硬度、刚度增强,韧性、延展性较差.单掺La和共掺Cr-La可提高SnO2韧性,减小硬度,改善加工性能.