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钛酸锶异质结界面电子结构的理论研究

【摘要】: 热电材料是一类能够实现热能和电能之间直接转换的功能材料,它具有Seebeck效应和Peltier效应。Seebeck效应是一种温差电效应,它是指在材料的两端外加一定的温度差时,相应材料的两端就会产生一定的电动势。Peltier效应是Seebeck效应的逆效应,是指在材料中通以一定方向的电流时,相应在材料的两端分别会产生吸放热现象;改变电流方向,吸放热端也随之反向。热电材料的应用非常广泛,不仅可用于测温,温差发电等领域,而且还可应用于冷却电子器件(红外、远红外探测器,高速芯片等)、医疗器材等方面。 热电材料温差发电不仅是当前深空探测领域重要的能源供应,而且还可将工业废热转化为电能。目前大部分热电材料的优值因子ZT≈1,对应热电转换效率一般仅在7%-8%左右,偏低的热电转换效率制约了热电发电的大规模应用。因此,提高热电材料的ZT值一直是热电材料研究者的努力方向。目前主要利用两种手段来提高热电材料的ZT值,一是调节材料的组分来提高材料的功率因子或降低材料的热导率,二是调控材料的微结构来提高材料的热电性能。近几年,有实验研究报道了在TiO2/SrTiO3和SrTiO3/SrTi1-xNbxO3等钛酸锶异质结界面处存在高浓度、高迁移率的二维电子气,可导致界面处高的热电性能,引发了热电材料研究者的极大关注。 随着凝聚态理论和数值算法以及计算机技术日新月异的发展,基于密度泛函理论的第一性原理计算已经成为凝聚态物理、量子化学和材料科学中重要的理论研究手段。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,从微观的原子结构和电子性质方面研究了多种钛酸锶异质结,尤其对各种异质结的平均静电势及带阶值进行了计算,研究了界面的量子阱结构和极化强度的变化,对界面二维电子气的来源和机制进行了系统地研究,揭示了实验现象的本质,对材料的热电性能进行了预测。 TiO2/SrTiO3异质结:首先,建立了多种可能存在的界面构型,计算了各构型界面处的结合能和界面能,得到了最稳定的界面结构。其次,计算了该稳定结构的能带、态密度、电荷转移和布居分布等电子性质,得到有0.2e~0.3e的电荷从TiO2一侧转移到SrTiO3一侧,该电荷转移可使SrTiO3一侧完全恢复到其体材料的性质,证明了TiO2层能很好的附着在SrTiO3衬底之上。计算了该异质结的带阶和平均静电势,得到其价带和导带的带阶分别为0.09eV和0.19eV;对超晶格结构平均静电势的计算发现该异质结构了界面处存在势阱,该势阱是由于界面处的极化不连续性造成的。最后定性研究了界面存在氧空位的情况,发现氧空位导致界面呈n型,显示出金属性,且空位处的平均静电势的升高。 SrTiO3/LaAlO3异质结:针对两种不同界面AlO2/LaO/TiO2和AlO2/SrO/TiO2的几何结构和电子性质进行了系统的研究。对电荷分布的计算发现两种界面均是非电中性的,其中AlO2/LaO/TiO2界面呈n型,而AlO2/SrO/TiO2界面呈p型。对界面优化后原子弛豫的分析表明AlO2/LaO/TiO2电子补偿型界面的原子弛豫较大,原子层出现较大的褶皱,而空穴掺杂的AlO2/SrO/TiO2界面的原子弛豫较小原子层仍比较平坦。对AlO2/LaO/TiO2构型能带结构和态密度的分析表明界面处的金属态主要是由Ti 3d电子提供的。最后计算了同时包含上述两种界面的混合掺杂型超晶胞的极化强度和带阶值,发现界面处存在极化方向的翻转,解释了n型界面存在二维电子的现象,并通过计算得到该异质结价带带阶值为0.15eV,导带带阶值为2.45eV,都是LaAlO3一侧高。 SrTiO3/SrTi1-xNbxO3/SrTiO3量子阱结构:对该体系能带结构的计算发现费米能级位于导带之内,体系表现出金属性。对平均静电势的计算证明了该超晶格为典型的量子阱结构,阱的位置位于SrTi1-xNbxO3层中,且阱的宽度和深度都随着Nb掺杂比例的提高而增大。对自发极化的计算发现Ti原子在垂直于界面方向有较大弛豫,使得超晶格呈现出自发极化的梯度变化,界面处原子层的自发极化强度值最大,随着原子层的逐渐远离界面,自发极化强度值逐渐减小。由于极化电荷对量子阱中的电了有吸引作用,导致阱内二维电子气的扩散。最后通过计算量子阱中电子的有效质量预测了量子阱中Seebeck系数随SrTiO3势垒层数增大的而增大的变化趋势,与实验报道相符合。

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