SrTiO3能带结构的计算与分析

张水利 张富春

摘 要：利用CASTEP软件包对SrTiO3的能级结构、态密度和分波态密度进行计算，并进行了详尽的分析，实验结果与前人的结论相符。

关键词：钛酸锶；态密度；分波态密度

1 引言

在金属材料和一些有机、无机非金属材料中，添加适量锶及其化合物就可改变其某些性能，甚至使其具有特殊功能，故锶有“金属味精”之称。在含锶物质中，钛酸锶（SrTiO3）就是其中的一种重要的化合物。钛酸锶具有超导性、半导性、气敏性、热敏性及光敏性，介电损耗低、色散频率高，另外还有高介电常数、低电损耗等优点[1，2]。SrTi03具有良好的介电及铁电性质，引起研究人员的广泛关注。本文由Materials Studio3.2软件中的CASTEP软件包对SrTiO3的能级结构、态密度和分波态密度进行了计算，并对SrTiO3晶体的能级结构、态密度、分波态密度进行了详尽的分析。

2 实验数据及分析

2.1 能级结构分析

钛酸锶SrTiO3为立方晶体结构，一个Ti原子和周围六个0原子成规则八面体，Ti原位于八面体中心位置，Sr原子则位于立方体八个顶点位置。本文由Materials Studio3.2软件中的CASTEP软件包对SrTiO3的能级结构进行计算得到如图1所示。

由图可知，理论预测SrTiO3是一种间接带隙半导体材料，其导带底位于布里渊区中心Γ点处，价带顶位于布里渊区R点。从图中可以看出，SrTiO3的价带基本上两个区域组成：上价带-5.0eV～-0.0eV和下价带-18eV～-13eV。显然，SrTiO3的上价带区主要是由O2p态形成的，共有9条能带，宽度约为5eV。在上价带布里渊区高对称点Γ点，9条能带分裂为3条，这种分裂是由O2p态和晶体势场之间的静电相互作用引起的；下价带区主要是O2s和Sr4p态的贡献。在导带部分，导带底主要由三重简并的Ti 3d T2g态、两重简并的Ti 3d Eg态和Sr 4d态组成。通过计算，SrTiO3的间接禁带宽度为1.84eV，直接禁带宽度2.20eV，和实验值相比低估了1.36eV（实验值间接禁带宽度3.2eV，直接禁带宽度3.75eV）。

2.2 态密度分析

图2是完整SrTiO3总态密度分布和Sr、Ti和O不同轨道的PDOS，可以看出钛酸锶的价带顶主要具有02P态的特征，导带底主要具有Ti3d态特征。在费米能级附近，导带低和价带顶的态密度都相当陡峭。在-18eV到-13eV处的态密度主要由O2s态贡献，同时Ti3P和O2P态也有一定贡献，这和用X射线光电子能谱技术的测量结果一致[3]。位于-14eV处的态密度主要由Sr4P态贡献，并且O2s态也有一定贡献。而Kowalczyk等人[3]的X射线光电子能谱测试结果表明Sr4p态位于Fermi能级下约-18eV处，Batty等人[4]的X射线光电子能谱测试结果表明Sr4p态位于Fermi能级下约-16.5eV处。-5eV～0eV处的态密度主要由O2p态组成，和实验结果SrTiO3的价带宽度约为5～6eV且主要由O2p态贡献相符。

3 结论

本文Materials Studio3.2软件中的CASTEP软件包計算了SrTiO3的能级结构、态密度和分波态密度，并进行了详尽的分析，得出了比较满意的结果。

[参考文献]

[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.