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摘要

本文选取SrTiO ₃材料进行B位Nb ⁵⁺离子掺杂改性, 采用第一性原理计算了不同含量(0%, 12.5%和25%)Nb ⁵⁺掺杂SrTiO ₃的电子结构、光学、力学和热学性质. 结果表明, 当Nb ⁵⁺掺杂浓度上升, 材料晶胞参数增大; Nb ⁵⁺掺杂后SrTiO ₃由间接带隙化合物转变为直接带隙化合物, Nb ⁵⁺掺杂使材料反射系数、吸收系数、能量损耗下降、脆性降低, 当Nb ⁵⁺掺杂浓度上升, 材料体弹性模量不变, 剪切模量与杨氏模量减小, 泊松比增大, 德拜温度降低, 晶格热导率与理论最低晶格热导率减小.

关键词:

Abstract

The modification of SrTiO ₃materials by doping Nb ⁵⁺ions in B-site is studied through using the first-principles method to calculate the electronic structure, optical properties, mechanical properties and thermal properties at different Nb ⁵⁺doping concentrations. The calculation results show that as the doping content of Nb ⁵⁺increases, the lattice parameters increase. After being doped with Nb ⁵⁺, SrTiO ₃changes from an indirect band gap compound into a direct band gap compound. Doping Nb ⁵⁺can reduce the reflection coefficient, absorption coefficient, and energy loss of SrTiO ₃material, which can be used to modify its optical properties. Additionally, the brittleness of SrTiO ₃material is improved through doping Nb ⁵⁺. As the doping content of Nb ⁵⁺increases, the elastic modulus of the material hardly changes, the shear modulus and Young's modulus decrease, the Poisson's ratio increases, and the Debye temperature decreases, and both the lattice thermal conductivity and the theoretical minimum lattice thermal conductivity decrease as well.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:高峰,gaofeng@nwpu.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 51672219)和陕西省重点研发计划国际合作项目(2020KW-032)资助的课题

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Gao Feng,gaofeng@nwpu.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51672219) and International Cooperation Project of Key R&D Plan of Shaanxi Province, China(Grant No. 2020KW-032)

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	GGA(380 V)	Experimental results	Error (380 eV)/%
SrTiO₃	0.3939	0.3905 (PDF 84-0444)	0.87
SrTi_0.875Nb_0.125O₃	0.3957	0.3950^[14]	0.18
SrTi_0.75Nb_0.25O₃	0.3972	0.3980^[14]	–0.20

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	SrTiO₃(Caculation)^[16]	SrTiO₃(Experiment)^[32]	SrTiO₃	SrTi_0.875Nb_0.125O₃	SrTi_0.75Nb_0.25O₃
C₁₁	318.6	317.0	311.1	299.1	306.3
C₁₂	99.3	102.5	97.2	105.9	122.9
C₄₄	109.8	123.5	109.4	99.4	79.3

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Parameters	Symbel	SrTiO₃	SrTi_0.875Nb_0.125O₃	SrTi_0.75Nb_0.25O₃
Bulk elastic modulus/GPa	B	168.8	169.7	166.0
Shear modulus/GPa	G	108.3	100.8	78.3
G/B	/	0.64	0.59	0.47
Young's modulus/GPa	E	267.7	252.4	202.9
Poisson's ratio/(m·s^–1)	σ	0.236	0.252	0.296

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Parameters	Symbel	SrTiO₃	SrTi_0.875Nb_0.125O₃	SrTi_0.75Nb_0.25O₃
Compression wave velocity/(m·s^–1)	v_p	7916.5	7745.6	7241.4
Shear wave velocity/(m·s^–1)	v_s	4655.3	4460.2	3897.8
Average wave velocity/(m·s^–1)	v_m	4876.2	4694.3	4351.6
Debye temperature/K	Θ_D	630.7	603.9	557.7

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