第一性原理研究Al2O3異構(gòu)體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì).pdf

1、氧化鋁物理化學(xué)性能出色，廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。常見(jiàn)的氧化鋁是非晶態(tài)氧化鋁，在一定條件下會(huì)形成晶體結(jié)構(gòu)，氧化鋁晶體又會(huì)以很多種異構(gòu)體存在，如α、κ、γ、θ、δ相等，其中α-Al2O3是唯一的穩(wěn)定態(tài)，其他異構(gòu)體則在一定溫度條件下可以轉(zhuǎn)變成α穩(wěn)態(tài)。隨著薄膜和制備單晶技術(shù)的發(fā)展，亞穩(wěn)過(guò)渡態(tài)氧化鋁以它們獨(dú)特新穎的性能而擁有巨大的應(yīng)用潛力。由于目前實(shí)驗(yàn)研究過(guò)渡態(tài)Al2O3還尚存有困難，所以有關(guān)的理論模擬研究顯得尤為重要。
　　本文在前人研究

2、α、κ、γ、θ-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇基于第一性原理的計(jì)算方法，運(yùn)用CASTEP總能量計(jì)算軟件包，在周期性邊界條件下的k空間中，對(duì)比研究了這四種異構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。針對(duì)氧化鋁單晶在生長(zhǎng)和應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到諸如晶格失配、熱失配等應(yīng)力的影響，本文研究了在不同的靜外壓力作用下，四種氧化鋁異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)和光線性能的相應(yīng)變化。
　　優(yōu)化后的晶胞參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值相差在1.5％以?xún)?nèi)，保證了在此基礎(chǔ)上的模擬

3、研究結(jié)果的可靠性。理論計(jì)算結(jié)果表明，相比較α-Al2O3中Al都處于密排O原子間的八面體空隙位置，過(guò)渡態(tài)氧化鋁中則有部分Al處在四面體空隙位置，隨著晶胞中Altet所占比例增加(α<κ<θ<γ)，平均單位Al2O3分子體積也隨之增大，平均單位總能量的順序是α<κ<θ<γ。計(jì)算得到α-Al2O3的體模量為254.5 GPa，與實(shí)驗(yàn)值254.4GPa十分吻合。根據(jù)電子結(jié)構(gòu)布居分析，在過(guò)渡態(tài)異構(gòu)體中Altet的布居電荷比Aloct大，相應(yīng)的A

4、ltet-O鍵長(zhǎng)比Aloct-O鍵長(zhǎng)短，Altet與O之間作用更加強(qiáng)烈。α、κ、γ、θ-Al2O3都是寬禁帶的離子晶體，禁帶寬度分別為6.8，5.5，4.4，5.0 eV，α>κ>θ>γ，過(guò)渡態(tài)Al2O3中Altet與O的作用拉低了導(dǎo)帶底邊。γ相的價(jià)帶最寬，這是由于γ-Al2O3晶體中有陽(yáng)離子缺陷，缺陷附近存有未成鍵的O2p軌道，而該軌道主要貢獻(xiàn)于價(jià)帶頂部，所以抬升了價(jià)帶頂邊，同時(shí)這是γ相平均總能量最高的原因。α、κ、γ、θ-Al2O3