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1、,高压下ZrO2电子结构与光学性质的第一性原理计算,姓名：王玉婷 学号：20112364035 指导教师：顾芳,滨江学院 光信息科学与技术专业毕业论文答辩,2015.6.2,答辩内容,研究背景,研究内容,结论,一、研究背景,ZrO2是一种重要的结构和功能材料，集众多优异的性能于一身，具有宽带隙(5.8eV)，高介电常数(25)，高折射率和抗激光损伤阈值，宽的光谱透明区域，优异的化学、机械及热稳定性。同时，还具有高硬度，高强度，高韧性和极高的耐磨性等，已广泛用于陶瓷材料、耐火材料、隔热材料、高K栅介质材料、催化剂、高温固体电解质和光电器件等领域。因此，对ZrO2的实验研究和理论计算越来越受到人们
2、的重视。 目前，尽管对立方ZrO2制备、性能及结构等方面进行了大量的研究，但是对其详细的电子结构、光学性质的认识仍存在着分歧.因此ZrO2对的电子结构、光学性质及其相互关系的分析必将对更好地开展ZrO2的实验及应用研究具有十分重要的指导意义。,ZrO2的结构示意图 (其中小球表示氧原子，大球表示锆原子),研究结果表明，ZrO2有三种晶体形态，温度低于11700C时为单斜晶相，空间群为Fm3m，对称型为O5h。,二、研究内容,Identity,Origin,从第一性原理出发，在局域密度近似下，采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法系统地研究了单斜ZrO2静水压强下的电子结构与光学性质。,1
3、、 不同压强下单斜晶向ZrO2 的电子结构,不同压强下单斜ZrO2能带结构图,文中施加的压强采用了等效静水压强，其取值范围为0GPa20GPa，正压强则表示施加了压应力静水压强或压力不会改变单斜ZrO2 晶格对称性。我们分别取了5GPa、10GPa、15GPa和20GPa。,对于施加压强后的单斜晶相ZrO2能带结构，由图可知，施加正压强后二氧化锆费米面附近的的能带结构有一定程度的变化，导带底向高能量方向有微小移动，且导带底的位置由Y点变为A点，即由直隙材料变为了间隙材料。随着压强的增大，单斜晶相的氧化锆带隙明显增大，压强为5GPa、10GPa、15GPa和20GP时，带隙值分别为2.918eV
4、，3.655eV ，3.880eV，4.219eV和4.315eV，与不施加压强的立方ZrO2比带隙2.918eV相比都有所增大，表明施加正压强使该材料的导电性能变好。费米面的偏移会使费米面处的能带结构，载流子的有效质量和浓度发生改变，进而改变材料的光电传输性能。,总态密度与分态密度图,总态密度图,Zr原子s、p和d轨道电子的态密度,O原子s、p和d轨道电子的分态密度,价带顶态密度主要由O的P态贡献，而导带底态密度则主要是由Zr和O的S态电子与Zr的d态杂化产生。5eV后的态密度部分主要由Zr的d态与O的P态杂化产生的，这个部分的态密度在施加压强之后波峰明显降低。,3、光学性质结果,施加压强后
5、复介电函数虚部峰值减小，峰位向低能方向移动。,复介电函数虚部,吸收系数,不施加压强的ZrO2对小于220nm（吸收边）紫外光有吸收， 与实验结果250nm的吸收边结果一致； 施加压强后，吸收范围减小，吸收边向低能方向移动， 吸收边的波长增大，产生了红移； 由此可见，吸收边的波长随增大压强明显减小,折射率,随着压强的增大，折射率向高能量方向移动。,损失函数,不同压强下的ZrO2损失函数都向高能方向移动，且施加压强越高，损失峰的峰值越大。,三、结 论,基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法，系统地研究了单斜ZrO2静水压强下的电子结构与光学性质。电子结构分析表明：优化后的ZrO2晶格常数与实验值吻合较好，相对误差在4%以下；且ZrO2为直接带隙的绝缘体材料，价带顶和导带底均位于X点；施加压强后该材料转变为间隙材料，且带隙随着压强的增大而增大，即施加正压强使得单斜ZrO2的绝缘性增强。通过对材料态密度的分析可知，施加正压强后能隙的变化主要是由于Zr原子的d态电子的能带向高能量方向移动造成的。光学性质结果表明：施加正压强使单斜ZrO2的介电函数、吸收系数、折射率和能量损失谱均产生了较大变化，其中，掺杂使光学吸收边产生了蓝移，静态折射率增大，损失谱的峰位向高能量方向移动。上述研究结果为单斜ZrO2材料的设计与应用提供了理论依据。,谢谢 欢迎各位老师批评指正！,
