摻雜鈦酸鍶的理論計算研究及其在電子器件中的應用.pdf

1、ABO3型鈣鈦礦復合氧化物是一類多功能材料，因其含有過渡金屬離子，這類材料表現(xiàn)出豐富的物理性質，如:高介電常數(shù)，低介電損耗，壓電性質，鐵電極化，高磁阻，超導等等。鈦酸鍶(SrTiO3)作為典型的鈣鈦礦氧化物功能材料，具有此類材料的各種優(yōu)異的電學和磁學性質，通過對SrTiO3材料的摻雜（引入氧缺陷或是替換Sr原子或Ti原子），進一步豐富了SrTiO3的性質，在許多電子器件，如:場效應晶體管，電阻開關器件，固體氧化物燃料電池，熱電器件，燃料

2、敏化太陽能電池中都有廣泛應用。因此，研究非理想SrTiO3體系的電學性質對進一步優(yōu)化器件的性能至關重要。本論文通過理論加實驗的研究方法，對摻雜SrTiO3的穩(wěn)定性、電子結構、磁學性質及其在電阻開關器件和有機太陽能電池中的應用等展開了一系列研究，具體內容包括以下三個部分:
　　第一部分的內容主要是采用密度泛函的第一性原理方法，計算了摻氮(N)SrTiO3和有氧缺陷(Vac)的SrTiO3體系中不同距離的兩個氮原子的相互作用和不同距離

3、的兩個氧空位的相互作用對體系的穩(wěn)定性、電子結構和磁學性質的影響。在一個2×2×2的SrTiO3超晶胞中產生兩個氧空位(即SrTiO2.75)或是用兩個氮原子替代兩個氧原子(即SrTiO2.75N0.25)，我們設計了七種放置兩個N原子和Vac的不同模型并進行第一性原理計算。結果表明，經過優(yōu)化后，超晶胞中兩個N原子和兩個Vac之間距離的長短對體系的性質影響非常大。在SrTiO2.75體系中，Vac傾向于鏈狀排列，并且中間夾著一個Ti原子，

4、其他的結構則為亞穩(wěn)態(tài)。SrTiO2.75N0.25體系的結果則正好相反，它更傾向于其他的六種結構。SrTiO2.75體系在穩(wěn)態(tài)時沒有磁性，在其他六種亞穩(wěn)態(tài)時則和SrTiO2.75N0.25體系一樣表現(xiàn)出了磁性，磁性的來源主要是Ti原子3d軌道和N原子p軌道的貢獻。因此，我們的研究結果提供了一種可能在原子尺寸上調控SrTiO3電子和磁學性質的方法。
　　第二部分內容中，主要是對SrTiO3單晶片進行退火處理研究其電子結構并將其制作成

5、電阻開關器件。對高溫退火處理的SrTiO3單晶片進行透射譜、同步輻射光電子吸收譜、掃描電子顯微鏡(SEM)等技術手段表征。我們發(fā)現(xiàn)，封裝在Ar氛圍中退火，使SrTiO3單晶片產生了可觀的氧缺陷，這些氧缺陷的出現(xiàn)從顏色變化和透射譜，光電子吸收譜中都可以得到證實。SEM形貌圖中可以清楚的看到納米網(wǎng)狀圖樣，這有可能就是我們第一部分計算中氧缺陷趨向于鏈狀排列的結構。經過簡單的退火處理，SrTiO3單晶片在電阻開關器件中表現(xiàn)出良好的性能，主要是因

6、為SrTiO3中氧缺陷的存在，產生了可以移動的電子以及在外加電場的作用下實現(xiàn)了對電子的操作。
　　第三部分內容中，我們主要是把SrTiO3材料應用到了有機太陽能電池中。首先，通過溶液法制備SrTiO3層，熱裂解后，形成SrTiO3納米顆粒層。由于SrTiO3的禁帶寬度為3.2eV，使得SrTiO3納米顆粒層可以作為透明電子傳輸層替代有機太陽能電池中的一層聚合物。以SrTiO3納米顆粒層為電子傳輸層的太陽能電池表現(xiàn)出了穩(wěn)定的光伏性能