过渡金属氧化物表面和界面的电子结构及微观机理研究

过渡金属氧化物的表面和界面结构具有十分丰富和独特的物理性质，在基础学科和工业领域都具有重要的研究和应用价值，因此吸引了广泛的关注。本项目主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，并结合Hubbard理论（LDA+U）和Gutzwiller变分方法（LDA+Gutzwiller），对一些特殊构型的过渡金属氧化物表面和界面的电子结构进行计算模拟，研究分析其晶格、电荷、轨道以及自旋之间的相互作用规律并解释其微观机制和产生机理；同时结合实验上已合成的光电电池、自旋阀等分子器件,研究其表面和界面的自旋极化，电荷分布以及电子-声子耦合等性质，并预测新的表面和界面结构。在研究方法上，我们准备将晶体计算中采用的周期性边界条件改为开放性边界条件，在保证精度的同时提高运算效率。在研究对象上，我们把比较复杂的有机材料引入到表面和界面问题，将为进一步设计、合成新型量子器件提供理论依据。

我们的主要工作如下：..1.对不同厚度（1-6层）的ZnO(0001)纳米薄膜进行了原子结构优化和电子结构分析，优化以后的ZnO薄膜具有石墨烯状的结构，根据热电理论，这种层状结构应该具有较好的热电性能。因此，我们在此基础上对不同厚度的ZnO(0001)薄膜进行了电子能带结构和热电输运系数的计算，计算结果表明在一定厚度以下，ZnO(0001)薄膜的塞贝克系数，电导，以及功率因子都比相应块体提高了很多，且薄膜越薄热电性能越好，其中一层膜的结构，功率因子提高了大约10倍，热电优值提高了大概120倍。我们又进一步分析了其产生的机理。由此我们预测ZnO薄膜具有较好的热电应用前景。该工作已经发表在Journal of Applied Physics上面。..2.研究了具有O缺陷的SrTiO3(001)表面结构，构建了11种模型。通过计算这11种模型的电子结构，磁性和稳定性。我们发现O缺陷的位置对SrTiO3(001)表面的磁性，导电性以及稳定性都有很大的影响。铁磁性，反铁磁性以及顺磁性在不同的模型结构中都表现出来。同时计算结果表明金属性，半金属性以及半导体性质也受O缺陷的位置的影响。我们还给出了SrTiO3(001)表面自由能随着Sr和O的化学势的变化关系，并对其进行了细致深入的分析。为研究钙钛矿结构的过渡金属氧化物表面提供了一定的参考。..3.对MgO的低密勒指数表面的稳定性，能带和电子结构进行了详细的理论计算和分析，发现MgO(001) 和(011)表面具有半导体性，与MgO块体类似。而MgO(111)表面具有金属性，说明MgO块体的性质在(111)面被破坏。