第一原理研究LuPO4中氧空位的性质

摘要

cqvip:磷酸结构的晶体在掺杂二价阳离子后容易形成产生焦磷酸结构(P2O7)^4-,这种含有焦磷酸结构的氧化物材料十分适合做质子导体、燃料电池、气体传感器以及陶瓷膜等。本文利用第一性原理研究了LuPO4晶体中氧空位的结构性质,结果显示当氧空位带二价正电时,会引发氧空位周围原子奇特的畸变,形成焦磷酸结构。为了解释这种结构畸变的机理,本文利用过渡态搜索计算了结构变化过程中势能面的变化情况,正一价氧空位形成焦磷酸结构需要越过2.4eV的势垒,而正二价氧空位形成焦磷酸结构则不需要越过任何势垒,因此很容易形成焦磷酸结构。最后给出氧空位不同带电态的晶格结构、电子态密度以及电荷密度分布等基本物理性质,氧空位处于正二价态结构下,氧空位附近的P原子与O原子成键,又由于O原子有较强的电负性,P的s轨道电子向O的p轨道转移。P的s、p轨道在禁带中出现了与总态密度对应的缺陷能级,结果表明带正二价氧空位的晶体性质发生了明显变化。