第一性原理研究Al2O3異構體的電子結構和光學性質.pdf

1、氧化鋁物理化學性能出色，廣泛應用在各個工業(yè)領域。常見的氧化鋁是非晶態(tài)氧化鋁，在一定條件下會形成晶體結構，氧化鋁晶體又會以很多種異構體存在，如α、κ、γ、θ、δ相等，其中α-Al2O3是唯一的穩(wěn)定態(tài)，其他異構體則在一定溫度條件下可以轉變成α穩(wěn)態(tài)。隨著薄膜和制備單晶技術的發(fā)展，亞穩(wěn)過渡態(tài)氧化鋁以它們獨特新穎的性能而擁有巨大的應用潛力。由于目前實驗研究過渡態(tài)Al2O3還尚存有困難，所以有關的理論模擬研究顯得尤為重要。
　　本文在前人研究

2、α、κ、γ、θ-Al2O3的晶體結構的基礎上，選擇基于第一性原理的計算方法，運用CASTEP總能量計算軟件包，在周期性邊界條件下的k空間中，對比研究了這四種異構體的晶體結構、電子能帶結構和光學性能。針對氧化鋁單晶在生長和應用過程中會受到諸如晶格失配、熱失配等應力的影響，本文研究了在不同的靜外壓力作用下，四種氧化鋁異構體的結構、電子能帶結構和光線性能的相應變化。
　　優(yōu)化后的晶胞參數(shù)與實驗值相差在1.5％以內，保證了在此基礎上的模擬

3、研究結果的可靠性。理論計算結果表明，相比較α-Al2O3中Al都處于密排O原子間的八面體空隙位置，過渡態(tài)氧化鋁中則有部分Al處在四面體空隙位置，隨著晶胞中Altet所占比例增加(α<κ<θ<γ)，平均單位Al2O3分子體積也隨之增大，平均單位總能量的順序是α<κ<θ<γ。計算得到α-Al2O3的體模量為254.5 GPa，與實驗值254.4GPa十分吻合。根據(jù)電子結構布居分析，在過渡態(tài)異構體中Altet的布居電荷比Aloct大，相應的A

4、ltet-O鍵長比Aloct-O鍵長短，Altet與O之間作用更加強烈。α、κ、γ、θ-Al2O3都是寬禁帶的離子晶體，禁帶寬度分別為6.8，5.5，4.4，5.0 eV，α>κ>θ>γ，過渡態(tài)Al2O3中Altet與O的作用拉低了導帶底邊。γ相的價帶最寬，這是由于γ-Al2O3晶體中有陽離子缺陷，缺陷附近存有未成鍵的O2p軌道，而該軌道主要貢獻于價帶頂部，所以抬升了價帶頂邊，同時這是γ相平均總能量最高的原因。α、κ、γ、θ-Al2O3