Nb掺杂TiO_2基透明导电材料的电学性质研究

【摘要】本文通过第一性原理方法研究了锐钛矿相和金红石相Ti02,以及不同掺杂浓度的锐钛矿和金红石Nb:TiO2(NbTicell)模型和锐钛矿相Nb与氧空位(Vo)或氧间隙原子(Oi)共掺杂模型(NbTi+Vocell和NbTi+Oicell)的的几何构型、电子结构和稳定性。首先通过锐钛矿相和金红石相Ti02的晶体结构和电子结构的研究确定了研究方法的可靠性。在此基础上研究了不同掺杂浓度的两相NbTicell模型。研究表明：锐钛矿NbTicell呈类金属导电机制,金红石NbTicell呈半导体导电机制。NbTicell导电是由于Nb原子在体系中可以比Ti多释放出电子。金红石NbTicell中Nb原子电离率比锐钛矿中低。故锐钛矿NbTicell适宜用作TCO材料,金红石NbTicell则不适宜。Nb原子掺杂浓度越高,Nb原子的电离率越低。在富氧条件下,Nb原子掺杂的Ti02在热力学上是稳定的,即有利于Nb原子的掺杂,富钛条件下不利于Nb原子的掺杂。且随着Nb原子掺杂浓度提高,形成能增大。在锐钛矿NbTicell的基础上我们研究了共掺杂模型,结果显示：NbTicell中杂质轨道主要由Nb原子周围的Tit2g(dxy)贡献,而NbTi+Vocell中不仅有Nb临近Ti原子的t2g(dxy)贡献,也有Vo周围Tieg(dz2,dx2-y2)参与贡献。两者载流子延a(b)方向的有效质量相差不大,但NbTi+Vocell延c轴方向的小很多。NbTi+Vocell中Vo周围的不饱和电子均匀的分布在Vo临近3个Ti原子上,这部分电子可以参与材料的导电。在NbTi+Oicell中,Oi原子与毗邻的晶格O原子形成类似O2结构,杂质能级主要由类O2结构中O原子的2p轨道构成,其中的未占据能级能够捕获电子。Vo周围的电子主要以电子气的形式存在,而Oi靠近核周围的电子主要是局域态。说明Vo引入NbtiTicell对导电性起促进作用,Oi的引入则对NbTicell导电性不利。形成能结果显示,在富钛条件下Vo更易引入NbTi中,Ti02中缺陷主要以NbTi和Vo两种缺陷共存形式存在；尽管富氧条件更利于Nb掺杂,但同时也会引入Oi,使导电性变差。
【作者】杨振辉；
【导师】宋晨路；刘涌；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】TCO；TiO2；第一性原理；电学性质；稳定性；

【参考文献】
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