摻雜鈦酸鋇薄膜的電子結構及光學性質.pdf

1、近年來，因為鐵電材料在光電功能器件中的潛在應用，對鐵電材料光學性質的研究很活躍。鐵電薄膜具有電場調控光伏特性、較高的光電轉換效率以及輸出較高的光生電壓等優(yōu)點。由于自由載流子可以屏蔽偶極子之間庫侖相互作用，鐵電性一直被認為不能與金屬性共存。但是最近，相關實驗證明鐵電性和金屬性可以共存。例如隨著鈦酸鋇材料電子摻雜濃度的提高，體系的電阻表現出金屬材料的導電行為，且鈦酸鋇塊材會發(fā)生四方相到立方相的結構相變。因此，研究電子摻雜鐵電塊材和鐵電薄膜是

2、非常有意義的，尤其是其中的金屬-絕緣相變、結構相變以及光學性質等具有非常豐富的物理圖像。本論文利用第一性原理計算方法，研究La摻雜BaTiO3薄膜以及電子摻雜BaTiO3塊材，詳細研究了摻雜對鐵電材料電子結構以及光學性質的影響。
　　我們的研究內容可以概括為以下兩個方面:
　　1、鐵電薄膜的摻雜效應
　　通過第一性原理計算，把BaTiO3薄膜表面附近的BaO原子層中的Ba原子用La原子取代，研究了摻雜對鐵電薄膜極化的影

3、響。發(fā)現當自發(fā)極化指向薄膜內部時，在適當濃度的電子摻雜情況下，表面態(tài)將從金屬態(tài)轉變?yōu)榻^緣態(tài)，并且從表面層到薄膜內部形成梯度能隙。極化向上情形下，La摻雜的體系表面總是表現為金屬態(tài)。因此，在外電場作用下可以實現BaTiO3薄膜表面的金屬-絕緣相變。
　　2、電子摻雜對BaTiO3塊材光學性質的影響
　　對BaTiO3塊材進行均勻電子摻雜，隨著電子摻雜濃度達到臨界電子濃度0.11e/u.c時，BaTiO3會發(fā)生四方相到立方相的結

4、構相變，鐵電性消失。并且由于導帶底摻雜的電子躍遷到高能級，體系在低能區(qū)出現新的吸收峰，BaTiO3原本帶隙吸收邊發(fā)生藍移現象。此外，我們還在2*2*2的BaTiO3超胞中摻入一個La原子（用La原子取代Ba原子，摻雜濃度為0.125e/u.c）。此摻雜濃度下，均勻電子摻雜體系表現為立方相，鐵電性消失，而La原子摻雜體系中由于摻雜電子局域在La原子周圍，不能完全屏蔽偶極子間的相互作用，體系中鐵電性和金屬性仍然可以共存。我們的理論研究有望為