Ce和S共掺杂SnO2材料导电性能的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了Ce和不同浓度S元素共掺杂后SnO₂的电子结构，定性分析了各掺杂模型的晶体结构、能带结构、态密度和电荷布局，定量计算了相对电导率。分析结果表明：随着S原子掺杂浓度的增大，掺杂体系的形成能不断增大，稳定性也随之降低；与Ce单掺相比，共掺后能带整体向费米能级方向移动，能带曲线更紧密，禁带宽度进一步减小，载流子跃迁所需的能量进一步降低；共掺后费米能级附近的态密度有所增大，这是因为S原子轨道和Sn和Ce原子轨道发生杂化，电子转移加剧，价带顶部被S-3p轨道占据，提供了更多载流子；同时共掺使材料的电荷密度分布改变，共价性减弱，离子性增强；共掺后，自由电子浓度明显增大，电子迁移率明显提高，电导率也明显优于单掺体系；与Ce-2S掺杂结构相比，Ce-S掺杂结构的自由电子迁移率更高，电导率也更高，说明Ce-S共掺结构的导电性能更佳。