SrTiO3晶体点缺陷结构的研究

论文摘要

近年来，环境问题与能源问题日益严峻，氢能作为一种理想、无污染绿色能源受到广泛关注。SrTiO3作为一种钙钛矿型光催化材料，通过吸收大于吸收阈值的光子产生电子、空穴对，使水中的H+与电子结合分解水生成H2。由于SrTiO3的禁带宽度为3.2eV，只能吸收紫外波段的光。然而，43%的太阳光位于可见光波段，只有4%的位于紫外波段。所以为了提高催化效率，通常使用掺杂等方式减小禁带宽度，引入可见光。本文使用计算机模拟技术，使用CRYSTAL-09软件包计算了SrTiO3晶体的氧空位和掺杂不同价态Mn离子和Rh离子的缺陷形成能和电子结构。内容主要分为部分组成：SrTiO3晶体研究背景介绍（第一章）；计算时所用到的软件简介及方法（第二章）；完整SrTiO3晶体的电子结构（第三章）；含氧空位时的SrTiO3晶体的电子结构（第四章）；替代不同原子的Mn杂质的缺陷形成能及电子结构（第五章）；替代不同原子的Rh杂质的缺陷形成能及电子结构（第六章）。第一章，绪论，介绍SrTiO3晶体的研究背景，最新研究成果以及本文将要进行的研究。第二章，简单介绍CRYSTAL软件包以及计算缺陷形成能的热力学方程。第三章，用CRYSTAL-09软件计算了完整SrTiO3晶体的电子态密度分布、能带结构和电荷密度。通过分析电子结构，确定晶体化学键的组成。第四章，用CRYSTAL-09软件计算了含氧空位的SrTiO3晶体的电子结构，发现禁带中出现一条新的缺陷带，并且缺陷带属于轨道。并且*-之间的缺陷能量为2.88eV，可能导致了2.4eV的发光谱。第五章，用CRYSTAL-09软件计算了Mn和Rh掺杂的SrTiO3晶体的缺陷形成能及电子结构。结果表明只有在富氧情况下Mn代替Ti的可能性稍高，其他情况下Mn更容易代替Sr。而且只有MnTi能够有效的减少禁带宽度，MnSr对禁带宽度完全没有影响。在Rh的掺杂中发现Rh更容易代替Sr，并在禁带中引入缺陷能级，缺陷能级属于Rh的4d态。由于导带底是属于Ti的3d态，所以价带顶到缺陷能级是禁戒跃迁。因此激发到价带顶的电子不容易回缺陷能级，形成较稳定的电子用于与H+结合形成H2。第六章，结论。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• 3晶体的研究现状'>§1.2 SrTiO₃晶体的研究现状
• §1.3 论文研究的目的及意义
• 第二章 理论方法
• §2.1 第一性原理计算
• §2.2 密度泛函理论
• §2.2.1 Hohenberg－Kohn 定理
• §2.2.2 Kohn-Sham 方程
• §2.2.3 交换相关能量
• §2.3 CRYSTAL 软件简介
• §2.4 杂化泛函
• §2.5 缺陷形成能的热力学方程
• 3晶体的电子结构'>第三章 完整 SrTiO₃晶体的电子结构
• 3晶体的结构'>§3.1 SrTiO₃晶体的结构
• §3.2 计算方法
• §3.3 结果与讨论
• §3.4 结论
• 3晶体中氧空位的电子结构'>第四章 SrTiO₃晶体中氧空位的电子结构
• §4.1 计算方法
• §4.2 结果与讨论
• §4.3 结论
• 3晶体的电子结构研究'>第五章 过渡族金属掺杂 SrTiO₃晶体的电子结构研究
• §5.1 掺杂 Mn 离子的缺陷形成能和电子结构的研究
• §5.1.1 计算方法
• §5.1.2 结果与讨论
• §5.2 掺杂 Rh 离子的缺陷形成能和电子结构的研究
• §5.2.1 计算方法
• §5.2.2 结果与讨论
• §5.3 结论
• 第六章 总结
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢