论文摘要
活性复合氧化物电极材料的计算尚未查到有关报导。本论文尝试引入第一性原理的计算方法,采用VASP软件对金红石型SnO2基的含Ru、Ir复合氧化物的晶体结构和电子结构进行探索性研究,深入了解其导电机理,为制备具有优良导电性能的复合氧化物电极材料提供理论依据。通过对金红石型SnO2超晶胞进行结构优化,计算得到的晶体学结构参数与其它文献值非常接近,误差约为-0.04%。能带结构和态密度计算表明：SnO2为直接带隙半导体,带隙宽度约为1.1 eV,在费米能级附近的价带（VB）主要由O-2p轨道构成,导带（CB）主要由Sn-5s和O-2p构成。对Ru原子掺杂金红石型SnO2超晶胞进行优化。用三阶Brich-Murnaghan固体状态方程拟合“总能-体积”曲线,计算结果和已知文献符合得很好。电子结构计算表明：Ru原子的掺杂引入了4d电子轨道,产生了杂质能级,导电类型发生改变。随着Ru原子掺杂量的增加,进入导带的相对电子数逐渐增加。带隙先减小后增大,电子有效质量先减小后增大,载流子浓度逐渐增大,电子迁移率逐渐增大,电导率逐渐增大。对Ir原子掺杂金红石型SnO2超晶胞进行优化。随Ir原子掺杂量的增加,固溶体晶格参数成线性规律变化,Sn1-xIrxO2的晶胞参数和系统总能介于SnO2和IrO2单胞之间。对电子结构进行分析可以知道费米能级进入导带的程度较同比例Ru原子进入的程度大,随着Ir原子掺杂量的增加,进入导带的相对电子数逐渐增加,载流子浓度逐渐增大,电子迁移率逐渐增大,电导率逐渐增大。对Ru、Ir原子共同掺杂金红石型SnO2超晶胞进行优化。随Ru、Ir原子掺杂量的变化,固溶体晶胞参数发生变化,Sn1-2xRuxIrxO2固溶体的晶胞参数和系统总能介于Ru、Ir原子同比例分别掺杂SnO2的情况。对其电子结构进行分析,随着Ru、Ir原子掺杂量的增加,进入导带的相对电子数逐渐增加,载流子浓度逐渐增大,电子迁移率逐渐增大,电导率逐渐增大。通过对比Ru、Ir原子单掺杂和Ru、Ir原子共同掺杂SnO2超晶胞的电子结构,进一步分析掺杂原子对SnO2半导体材料导电性能的的影响,并比较筛选出导电性能较优异的掺杂元素和掺杂浓度。结果显示,在相同掺杂比例的情况下,掺杂原子对SnO2电导率的提高程度从大到小依次为：Ir原子单掺、Ru和Ir原子共掺、Ru原子单掺,这对电极材料的开发具有一定的指导意义。
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摘要Abstract第一章 研究背景及研究内容1.1 引言1.2 电化学电极材料1.2.1 活性氧化物电极材料1.2.2 电极材料的骨架氧化物2-RuO2电极材料的特性'>1.2.3 SnO2-RuO2电极材料的特性1.3 电极材料研究的不足与趋势的预测1.3.1 复合氧化物结构研究的不足1.3.2 复合氧化物导电机理研究的不足1.3.3 复合氧化物研究方法的不足1.4 本研究的思路和研究内容1.4.1 问题的提出1.4.2 研究内容与方法1.4.3 创新点第二章 理论基础与计算方法2.1 方法概述2.1.1 基本思路2.1.2 第一性原理总能计算方法2.1.3 Born-Oppenheimer Adiabatic Approximation2.2 密度泛函理论概述2.2.1 Hobenberg-Kohn定理2.2.2 Kohn-Sham单体方程2.2.3 交换关联势Vxc（r）处理2.3 论文中常用物理量的基本概念2.3.1 能带2.3.2 态密度2.3.3 载流子有效质量2.3.4 载流子浓度2.3.5 迁移率分析2.3.6 电导率2.4 材料计算软件第三章 金红石型氧化物的初步计算3.1 结构模型与超晶胞3.2 计算参数设置3.3 GGA和LDA的选择3.4 电子结构的计算尝试2的能带结构'>3.4.1 SnO2的能带结构2的态密度图'>3.4.2 SnO2的态密度图3.5 本章小结2基含Ru复合氧化物的结构与导电机理'>第四章 SnO2基含Ru复合氧化物的结构与导电机理4.1 计算实验方法4.2 计算参数设置xRu1-xO2电极材料的晶体结构'>4.3 SnxRu1-xO2电极材料的晶体结构1-xRuxO2固溶体的晶格参数'>4.3.1 Sn1-xRuxO2固溶体的晶格参数4.3.2 V-x关系的建立4.3.3 计算数据的可靠性分析4.3.4 拟合公式的修正1-xRuxO2电极材料的电子结构'>4.4 Sn1-xRuxO2电极材料的电子结构0.875Ru0.125O2固溶体的态密度'>4.4.1 Sn0.875Ru0.125O2固溶体的态密度1-xRuxO2固溶体的态密度'>4.4.2 Sn1-xRuxO2固溶体的态密度4.4.3 莫特相变分析4.4.4 迁移率分析4.4.5 电导率分析4.4.6 能带结构和电子有效质量4.4.7 载流子浓度4.5 本章小结2基含Ir复合氧化物的结构与导电机理'>第五章 SnO2基含Ir复合氧化物的结构与导电机理5.1 计算模型5.2 参数设置xIr1-xO2电极材料的晶体结构'>5.3 SnxIr1-xO2电极材料的晶体结构5.3.1 晶胞参数和系统总能5.3.2 V-x关系的建立1-xIrxO2电极材料的电子结构'>5.4 Sn1-xIrxO2电极材料的电子结构0.875Ir0.125O2固溶体的态密度'>5.4.1 Sn0.875Ir0.125O2固溶体的态密度1-xIrxO2固溶体的态密度'>5.4.2 Sn1-xIrxO2固溶体的态密度5.4.3 莫特相变分析5.4.4 迁移率分析5.4.5 电导率分析5.4.6 载流子浓度5.5 本章小结2基Ru、Ir共掺复合氧化物的结构与导电机理'>第六章 SnO2基Ru、Ir共掺复合氧化物的结构与导电机理6.1 计算模型6.2 参数设置1-2xRuxIrxO2固溶体的晶体结构'>6.3 Sn1-2xRuxIrxO2固溶体的晶体结构6.3.1 晶胞参数和系统总能6.3.2 V-x关系的建立1-2xRuxIrxO2固溶体的电子结构'>6.4 Sn1-2xRuxIrxO2固溶体的电子结构1-2xRuxIrxO2固溶体的态密度'>6.4.1 Sn1-2xRuxIrxO2固溶体的态密度6.4.2 迁移率分析6.4.3 电导率分析6.4.4 载流子浓度6.5 本章小结结论参考文献致谢个人简历
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