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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
Ti3O5由于在室温下存在金属-绝缘体（MIT）的可逆光致相变，有望成为新一代光存储相变材料，目前其MIT机理和相变路径仍不明确，对热力学性质和相变以及电子结构、光学性质的研究对于实际应用具有重要的意义。本文采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory)的第一性原理方法，系统地研究了Ti3O5的相变条件、热力学性质、电子结构以及磁学性质、光学性质，并对金属-绝缘体相变机理作出合理解释，同时研究了Ti3O5体材料掺杂碳、氮元素对电子结构和相变的影响。本文的主要研究成果如下：（1）利用密度泛函理论结合准谐德拜模型计算了β-Ti3O5和λ-Ti3O5的热力学性质。包括不同压力和不同温度下的等压热容CP，等容热容CV，热膨胀系数α以及等温体弹性模量BT和绝热体弹性模量BS，为确定该材料的服役条件提供理论依据。（2）利用准谐德拜模型，计算了不同温度、不同压力下，α-Ti3O5、β-Ti3O5和λ-Ti3O5的吉布斯自由能。得出在零压力和温度1420K以下，β-Ti3O5为稳定相。β-Ti3O5→λ-Ti3O5相变温度为1420K。温度高于1420K时，λ-Ti3O5为稳定相，压力可以导致λ-Ti3O5→β-Ti3O5相变的发生。通过对三相吉布斯自由能的比较，排除α-Ti3O5作为β-Ti3O5→λ-Ti3O5相变中间相的可能，即相变不涉及第三相。（3）利用DFT+U方法，对β-Ti3O5和λ-Ti3O5进行了电子结构的计算，结果表明λ-Ti3O5表现为金属性，β-Ti3O5为具有0.15eV带隙的半导体。通过对局域电子密度分布图、轨道劈裂态密度图和两相Ti-Ti键长的分析，确定该金属-绝缘体相变的发生机理属于Peierls相变机理，即能级的分裂使得Ti的d轨道分裂，产生带隙宽度，出现非金属性。（4）利用DFT+U方法，计算了Ti3O5的光学性质。分析了[100]和[010]两个方向上的复介电函数，并对比了两相在[100]方向上反射率对比度，给出了在不同入射光条件下两相的光学参数，为Ti3O5应用于光学存储提供理论支持。（5）确定C、N元素在β-Ti3O5和λ-Ti3O5中的掺杂位置，并计算两相在C、N元素掺杂下的态密度。结果表明C元素对两相的电学特性影响较大，掺杂后两相均变成半导体，带隙宽度分别增加至1.25eV和1.5eV；氮元素的掺杂使β-Ti3O5的带隙增大到0.5eV，同时依旧保持λ-Ti3O5的金属性不变，加剧了相变前后两相的电学差异，使Ti3O5更适于应用在光学存储领域。我们还研究了N对Ti3O5之间相变的影响，经研究发现，掺杂后相变温度降为768K，意味着N能有效促进相变的发生。 |
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发表于 2022-4-20 10:32:33
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