SrTiO3能帶結構的計算與分析

張水利 張富春

摘 要：利用CASTEP軟件包對SrTiO3的能級結構、態密度和分波態密度進行計算，并進行了詳盡的分析，實驗結果與前人的結論相符。

關鍵詞：鈦酸鍶；態密度；分波態密度

1 引言

在金屬材料和一些有機、無機非金屬材料中，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。鈦酸鍶具有超導性、半導性、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、低電損耗等優點[1，2]。SrTi03具有良好的介電及鐵電性質，引起研究人員的廣泛關注。本文由Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包對SrTiO3的能級結構、態密度和分波態密度進行了計算，并對SrTiO3晶體的能級結構、態密度、分波態密度進行了詳盡的分析。

2 實驗數據及分析

2.1 能級結構分析

鈦酸鍶SrTiO3為立方晶體結構，一個Ti原子和周圍六個0原子成規則八面體，Ti原位于八面體中心位置，Sr原子則位于立方體八個頂點位置。本文由Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包對SrTiO3的能級結構進行計算得到如圖1所示。

由圖可知，理論預測SrTiO3是一種間接帶隙半導體材料，其導帶底位于布里淵區中心Γ點處，價帶頂位于布里淵區R點。從圖中可以看出，SrTiO3的價帶基本上兩個區域組成：上價帶-5.0eV～-0.0eV和下價帶-18eV～-13eV。顯然，SrTiO3的上價帶區主要是由O2p態形成的，共有9條能帶，寬度約為5eV。在上價帶布里淵區高對稱點Γ點，9條能帶分裂為3條，這種分裂是由O2p態和晶體勢場之間的靜電相互作用引起的；下價帶區主要是O2s和Sr4p態的貢獻。在導帶部分，導帶底主要由三重簡并的Ti 3d T2g態、兩重簡并的Ti 3d Eg態和Sr 4d態組成。通過計算，SrTiO3的間接禁帶寬度為1.84eV，直接禁帶寬度2.20eV，和實驗值相比低估了1.36eV（實驗值間接禁帶寬度3.2eV，直接禁帶寬度3.75eV）。

2.2 態密度分析

圖2是完整SrTiO3總態密度分布和Sr、Ti和O不同軌道的PDOS，可以看出鈦酸鍶的價帶頂主要具有02P態的特征，導帶底主要具有Ti3d態特征。在費米能級附近，導帶低和價帶頂的態密度都相當陡峭。在-18eV到-13eV處的態密度主要由O2s態貢獻，同時Ti3P和O2P態也有一定貢獻，這和用X射線光電子能譜技術的測量結果一致[3]。位于-14eV處的態密度主要由Sr4P態貢獻，并且O2s態也有一定貢獻。而Kowalczyk等人[3]的X射線光電子能譜測試結果表明Sr4p態位于Fermi能級下約-18eV處，Batty等人[4]的X射線光電子能譜測試結果表明Sr4p態位于Fermi能級下約-16.5eV處。-5eV～0eV處的態密度主要由O2p態組成，和實驗結果SrTiO3的價帶寬度約為5～6eV且主要由O2p態貢獻相符。

3 結論

本文Materials Studio3.2軟件中的CASTEP軟件包計算了SrTiO3的能級結構、態密度和分波態密度，并進行了詳盡的分析，得出了比較滿意的結果。

[參考文獻]

[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.