Li离子嵌入和氧缺陷对V2O5电子结构的影响

论文摘要

V2O5是一种极其重要的无机材料,在化工和电子工业领域有着广泛的应用。尤其是在电存储和电致变色器件中的应用深受研究者的关注。目前,影响其未来发展的难题主要有:Li嵌入对V2O5电子结构的影响及其嵌入/脱出的机理缺少理论依据,此外,本征氧空位缺陷对材料特性的影响机制也尚不明确。本论文通过理论计算和实验研究,较深入地考察了V2O5体材料的电子结构及其分别受Li离子嵌入和氧空位的影响。理论上,我们分析了Li离子的嵌入机理以及氧空位对体材料的电子结构所产生的影响。实验上,我们分别利用物理汽相沉积和射频磁控溅射技术制备了V2O5薄膜,采用包括电子显微镜、X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）等技术,表征薄膜样品的各项性质。并将实验结果与理论计算相比较,得到了一些较为有意义的结论:在Li离子的嵌入机理研究方面,通过对Li离子的不同嵌入位置的理论模拟,发现两种模型下的Li0.5V2O5总能相差不是很大,表明在常温下Li离子嵌入后可沿着b轴方向在一平台上进行扩散。当结构变为LiV2O5时,发现Li位于层间两个桥氧的间隙位时,体系最为稳定。但不管嵌入多少量的Li离子,体系的电子跃迁方式都没有改变,仍为间接带隙。但是体系的费米能级随着Li离子浓度的增加而上升,并进入导带中,这极有可能是实验上发现Li离子嵌入后导致吸收边发生蓝移的主要原因。在氧空位的研究方面,通过XPS测量出具有不同空位浓度的薄膜样品,发现随着空位浓度的增加,V的氧化态逐渐降低;UPS表明体系的功函数随着氧空位浓度的增加而降低;紫外可见光吸收谱发现随着氧空位浓度的增加,吸收边向高能方向移动。理论计算同样发现V的价态随着O的缺失而降低,功函数也随之减小。此外,氧空位的形成将转移一部分的电子给近邻的V离子,使V的电子结构发生了明显的变化。同时,光学带隙也伴随氧空位的形成而增大。根据以上对V2O5体材料的深入研究,为Li离子的嵌入/脱出反应提供了理论的依据,并为高质量V2O5薄膜的生长积累了宝贵的经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 2O₅正极材料的研究进展'>1.2 V₂O₅正极材料的研究进展
• 2O₅及其薄膜的其它应用'>1.3 V₂O₅及其薄膜的其它应用
• 1.4 本文的研究设想
• 参考文献
• 第二章 理论计算和实验方法
• 2.1 第一性原理的计算模拟方法
• 2.1.1 密度泛函理论
• 2.1.2 计算模拟方法
• 2O₅薄膜的生长方法'>2.2 V₂O₅薄膜的生长方法
• 2O₅薄膜的表征方法'>2.3 V₂O₅薄膜的表征方法
• 参考文献
• 2O₅电子结构的影响'>第三章 Li嵌入对V₂O₅电子结构的影响
• 3.1 引言
• xV₂O₅的电子结构（x=0.5,1）'>3.2 Li_xV₂O₅的电子结构（x=0.5,1）
• 2O₅的晶体结构'>3.2.1 α-V₂O₅的晶体结构
• 2O₅的电子结构'>3.2.2 α-V₂O₅的电子结构
• 2O₅电子结构的影响(Li_0.5V₂O₅)'>3.2.3 嵌入一个Li对V₂O₅电子结构的影响(Li_0.5V₂O₅)
• 2O₅的电子结构'>3.2.4 LiV₂O₅的电子结构
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₅光电性质的影响'>第四章 氧空位对V₂O₅光电性质的影响
• 4.1 引言
• 2O₅薄膜及表征'>4.2 PVD法制备V₂O₅薄膜及表征
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 样品的XPS和UPS测试
• 2O₅薄膜及表征'>4.3 射频磁控溅射法制备V₂O₅薄膜及表征
• 4.3.1 样品的制备
• 4.3.2 样品的测试
• 4.4 理论计算与分析
• 4.4.1 模型的建立
• 2O_5-x的电子结构'>4.4.2 V₂O_5-x的电子结构
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 附录 硕士期间发表和完成的论文
• 致谢