胡悦高

（上海市宝山钢铁股份有限公司 上海 201900）

氧化锆中嵌入过渡态原子：键合，磁性和掺杂态＊

胡悦高

（上海市宝山钢铁股份有限公司 上海 201900）

通过密度泛函理论（DFT）计算了V、Cr、Mn、Nb、Mo、Tc、W和Re原子掺杂于ZrO2中，掺杂离子与基体的键合能，以及引起的磁性和掺杂态。晶格中掺杂原子与基体的键合与掺杂体的原子尺寸有关。导电载流子的100%极化意味着V、Mn、Nb、Tc和Re元素能够在非磁性氧化锆材料中有效引入自旋极化载流子从而作为室温单自旋注入材料。掺杂体在基体材料禁带中引入的局域态可导致材料光吸收边界的红移，从而加强氧化锆材料的光催化性能。

陶瓷 电子器件 光化学 DFT计算

1 简介

氧化锆材料禁带的宽带间隙及氧化还原势使其成为一种良好的光催化材料［1～4］。例如，氧化锆对水相中紫外线照射下的光解、在光照射下污染物的分解以及二氧化碳的光还原都具有活性［5～7］。但是，氧化锆的较大禁带宽度（m－ZrO2为5.8～7.1eV、c－ZrO2为6.1～7.1eV、t－ZrO2为5.8～6.6eV［8］）阻碍了材料通过可见光或近紫外线光激活。

因此，通过研究氧化锆材料由于掺杂导致的吸收边界红移不仅对基础研究有帮助，而且对改进材料的光催化性能也有较大帮助。

稀磁性半导体为未来的电子科技，（基于自旋信息存储、数据处理和自旋偏振激光等）提供了基础［9～11］。例如，掺杂过渡元素后的TiO2［12～13］和 HfO2

［14～15］在室温下出现了铁磁性，其中少量的掺杂元素提供了局域化的自旋态并且其基态排列为铁磁性状态。

S Ostanin等［16］预测，由于氧化锆与TiO2和 HfO2一样是具有强热稳定性的高介电常数绝缘体。……