SrTiO3能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析

張水利 張富春

摘 要：利用CASTEP軟件包對(duì)SrTiO3的能級(jí)結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和分波態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行了詳盡的分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人的結(jié)論相符。

關(guān)鍵詞：鈦酸鍶；態(tài)密度；分波態(tài)密度

1 引言

在金屬材料和一些有機(jī)、無(wú)機(jī)非金屬材料中，添加適量鍶及其化合物就可改變其某些性能，甚至使其具有特殊功能，故鍶有“金屬味精”之稱。在含鍶物質(zhì)中，鈦酸鍶（SrTiO3）就是其中的一種重要的化合物。鈦酸鍶具有超導(dǎo)性、半導(dǎo)性、氣敏性、熱敏性及光敏性，介電損耗低、色散頻率高，另外還有高介電常數(shù)、低電損耗等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。SrTi03具有良好的介電及鐵電性質(zhì)，引起研究人員的廣泛關(guān)注。本文由Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包對(duì)SrTiO3的能級(jí)結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和分波態(tài)密度進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)SrTiO3晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、分波態(tài)密度進(jìn)行了詳盡的分析。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 能級(jí)結(jié)構(gòu)分析

鈦酸鍶SrTiO3為立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)Ti原子和周?chē)鶄€(gè)0原子成規(guī)則八面體，Ti原位于八面體中心位置，Sr原子則位于立方體八個(gè)頂點(diǎn)位置。本文由Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包對(duì)SrTiO3的能級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得到如圖1所示。

由圖可知，理論預(yù)測(cè)SrTiO3是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)處，價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)R點(diǎn)。從圖中可以看出，SrTiO3的價(jià)帶基本上兩個(gè)區(qū)域組成：上價(jià)帶-5.0eV～-0.0eV和下價(jià)帶-18eV～-13eV。顯然，SrTiO3的上價(jià)帶區(qū)主要是由O2p態(tài)形成的，共有9條能帶，寬度約為5eV。在上價(jià)帶布里淵區(qū)高對(duì)稱點(diǎn)Γ點(diǎn)，9條能帶分裂為3條，這種分裂是由O2p態(tài)和晶體勢(shì)場(chǎng)之間的靜電相互作用引起的；下價(jià)帶區(qū)主要是O2s和Sr4p態(tài)的貢獻(xiàn)。在導(dǎo)帶部分，導(dǎo)帶底主要由三重簡(jiǎn)并的Ti 3d T2g態(tài)、兩重簡(jiǎn)并的Ti 3d Eg態(tài)和Sr 4d態(tài)組成。通過(guò)計(jì)算，SrTiO3的間接禁帶寬度為1.84eV，直接禁帶寬度2.20eV，和實(shí)驗(yàn)值相比低估了1.36eV（實(shí)驗(yàn)值間接禁帶寬度3.2eV，直接禁帶寬度3.75eV）。

2.2 態(tài)密度分析

圖2是完整SrTiO3總態(tài)密度分布和Sr、Ti和O不同軌道的PDOS，可以看出鈦酸鍶的價(jià)帶頂主要具有02P態(tài)的特征，導(dǎo)帶底主要具有Ti3d態(tài)特征。在費(fèi)米能級(jí)附近，導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂?shù)膽B(tài)密度都相當(dāng)陡峭。在-18eV到-13eV處的態(tài)密度主要由O2s態(tài)貢獻(xiàn)，同時(shí)Ti3P和O2P態(tài)也有一定貢獻(xiàn)，這和用X射線光電子能譜技術(shù)的測(cè)量結(jié)果一致[3]。位于-14eV處的態(tài)密度主要由Sr4P態(tài)貢獻(xiàn)，并且O2s態(tài)也有一定貢獻(xiàn)。而Kowalczyk等人[3]的X射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果表明Sr4p態(tài)位于Fermi能級(jí)下約-18eV處，Batty等人[4]的X射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果表明Sr4p態(tài)位于Fermi能級(jí)下約-16.5eV處。-5eV～0eV處的態(tài)密度主要由O2p態(tài)組成，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果SrTiO3的價(jià)帶寬度約為5～6eV且主要由O2p態(tài)貢獻(xiàn)相符。

3 結(jié)論

本文Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包計(jì)算了SrTiO3的能級(jí)結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和分波態(tài)密度，并進(jìn)行了詳盡的分析，得出了比較滿意的結(jié)果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Cheng H F，Lin T F，Hu C T，et al.Effect of sintering aids on microstructures and PTCR characteristics of （SrO.2Ba）TiO3 ceramics，J Am Ceram Soc，1993，76（4）：827.

[2]Zhu W，Wang C C，Akbar S A，et a1.Fast sintering of hydrothermally synthesized BaTiO3 powder and their dielectric properties，J Mater Sci，1997，32：4302.

[3]Kowalczyk S P，McFeely F R，Ley L，Gritsyna V T and Shirley D A 1977 Solid State Commun.23 161.

[4]Batty F L，Hochst H and Goldmann 1976 Solid State Commun.19 269.