用第一性原理研究Au和Ag掺杂LiNbO_3的电学和光学性质

用第一性原理计算方法研究了掺银和掺金的LiNbO₃的电学和光学性质^[1]。第一性原理计算采用CASTEP计算机程序，采用GGA-PBE交换关联。在3.547 eV处观察到纯LiNbO₃的带隙，掺杂LiNbO₃的带隙减小。掺Au的LiNbO₃的禁带宽度为1.120 eV，掺银的LiNbO₃的禁带宽度为0.708 eV。计算态密度，分析了Au和Ag掺杂对电子性质和吸收光谱的影响。结果表明，与纯LiNbO₃相比，掺Au、Ag的LiNbO₃的光学吸收边明显向可见光方向移动。计算了纯结构和掺杂结构的介电常数。掺银和掺金的LiNbO3的光学吸收增强，使其成为一种很有前途的光伏和光催化剂应用材料。任何材料的基态性质都可以用密度泛函理论(DFT)计算。本文利用平面波密度泛函理论对纯LiNbO₃、Ag和Au掺杂LiNbO₃的几何结构进行了优化计算。本文采用密度泛函理论(DFT)对GGA-PBE的交换关联泛函进行了第一性原理计算，计算程序采用剑桥序列总能量包(CASTEP)^[2]。用X射线结晶学的方法对纯LiNbO₃的结构进行了实验研究，实验结果为a=b=5.1483，c=13.8573；首先，利用GGA-PBE交换相关泛函对LiNbO₃及其掺杂的LiNbO₃晶胞进行了几何优化，并对其电学和光学性质进行了计算。在这项研究中，比较了银和金掺杂对LiNbO₃电学和光学性质的影响。用3%的掺杂浓度对模型进行了模拟。掺杂位置的选择是基于总能量最低的原则进行的，并未对此进行详细的讨论。采用第一性原理计算方法研究了纯LiNbO₃、掺银LiNbO₃和掺Au LiNbO₃的结构。通过GGAPBE关联得到的结果发现，结构参数与以前报道的理论和实验测量结果符合得很好。计算得到纯LiNbO3的带隙为3.547 eV，与实验带隙符合得很好。从计算得到的掺杂LiNbO3的带隙能来看，金属掺杂有助于改善LiNbO3的光学性质。结果表明，与纯LiNbO3相比，LiNbO3的可见光区发生了明显的移动。因此，掺杂LiNbO3在电学和光学方面的改进可以应用于光伏和光催化剂等领域。

[1] S. Sanna and W. G. Schmidt, ‘‘LiNbO3 surfaces from a microscopic perspective,” J. Phys. Condens. Matter, vol. 29, no. 41, 2017.

[2] T. Volk and Manfred Wöhlecke, Lithium Niobate Defects, Photorefraction and Ferroelectric Switching. Springer, 2008.

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