氧缺陷调控BaTiO3-δ光电与机械热电性能的第一性原理研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)结合FP-LAPW方法，系统探究了氧缺陷浓度(δ=0,0.5,1)对BaTiO3-δ晶体结构、电子能带和光学特性的影响。发现氧空位可诱导材料从绝缘体(1.84eV)→窄带隙半导体(0.37eV)→金属的连续转变，为设计新型光电功能材料提供了理论依据。

　　

在功能材料领域，钛酸钡(BaTiO₃)因其独特的铁电性和光电转换特性备受关注。然而，氧缺陷对其性能的影响机制尚不明确，这严重制约了该材料在柔性电子器件和能源转换领域的精准调控。传统实验手段难以捕捉原子尺度的电子结构变化，而氧空位浓度与材料性能的定量关系更是研究盲区。

为破解这一难题，研究人员采用基于密度泛函理论(DFT)的FP-LAPW方法，借助WIEN2k软件包对BaTiO_3-δ(δ=0,0.5,1)体系展开系统研究。通过广义梯度近似(GGA)处理交换关联势，精确计算了不同氧空位浓度下的晶体结构、电子能带和光学响应特性。

关键技术包括：1)全势线性缀加平面波法(FP-LAPW)进行高精度电子结构计算；2)采用Pm-3m空间群构建立方钙钛矿模型；3)通过能带结构和态密度(DOS)分析电子跃迁特性；4)结合介电函数推导光学常数。

【结晶学与电子特性】
晶格优化显示氧缺陷导致晶格收缩，BaTiO₃、BaTiO_2.5和BaTiO₂的带隙分别为1.84eV、0.37eV和金属态。态密度分析表明，氧空位在费米能级附近引入新电子态，Ti-3d与O-2p轨道杂化程度随δ增加而减弱。

【机械热电性能】
应变分析揭示氧缺陷增强载流子迁移率，BaTiO_2.5在[100]晶向展现最优热电优值(ZT)，这与声子散射减弱和能带收敛效应相关。

【光学响应】
介电函数虚部计算显示，可见光区吸收边随δ增加发生红移，BaTiO₂在紫外区出现等离子体共振峰，证实自由载流子浓度提升。

这项研究首次建立了氧空位浓度与BaTiO_3-δ多物性参数的定量关系，揭示了从绝缘体到金属的连续相变机制。理论预测的窄带隙BaTiO_2.5为开发可见光响应型铁电光伏器件提供了新思路，而应变可调的金属态BaTiO₂则为柔性电极材料设计开辟了路径。该成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，为钙钛矿氧化物缺陷工程提供了重要理论指导。