2019年6月
第38卷第2期
内蒙古科技大学学报
JournalofInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology
June,2019
Vol.38,No.2
文章编号:2095-2295(2019)02-0113-04 DOI:10.16559/j.cnki.2095-2295.2019.02.003
Zr掺杂对CeO
2
(111)表面空位形成及
电子结构的影响
贾慧灵1,邹春阳1,吴锦绣2,李 梅2
(1.内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头 014010;2.内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010)
关键词:Zr掺杂;氧空位;电子结构;态密度
中图分类号:O411.2 文献标识码:A
摘 要:利用VASP软件,采用第一性原理的
DFT+U
方法计算了Zr掺杂前后CeO
2
(111)表面结构、氧空位形成能
以及电子结构的变化研究表明:Zr掺杂中心附近,表层Ce,O原子发生较大弛豫,Zr的掺杂明显降低了
CeO
2
(111)表面的氧空位形成能,表明对其态密度无明显的影响Zr掺杂前后的还原体系态密度图均在靠近费密
能级左侧出现1个间隙态,表明有Ce4+被还原为Ce3+
EffectofZrdopingonvacancyformationand
electronicstructureofCeO
2
(111)surface
JIAHuiling1,ZOUChunyang1,WUJinxiu2,LIMei2
(1.MechanicalEngineeringSchool,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;2.Materialsand
MetallurySchool,InnerMongoliaUniversityofSciencesandTechnology,Baotou014010,China)
Keywords:Zrdoping;oxygenvacancy;electronicstructure;densityofstates
Abstract:Thesurfacestructure,oxygenvacancyformationenergyandelectronicstructureofCeO
2
(111)beforeandafterZrdoping
werecalculatedbyfirstprinciplesDFT+
U
methodusingVASPsoftware.ItisfoundthattherelaxationofCeandOatomsoccurednear
theZrdopingcenter,andtheoxygenvacancyformationenergyonCeO
2
(111)surfacewasobviouslyreducedbyZrdoping,butithad
noobviouseffectonthestatedensity.ThedensitiesofthestatesofthereductionsystembeforeandafterZrdopingshowagapstate
neartheleftFermilevel,indicatingthatCe4+isreducedtoCe3+.
相比于传统的氧化物抛光材料,CeO
2
的抛光效
率更高、使用寿命更长,是化学机械抛光材料中非常
有价值的一种抛光材料随着科技的发展,对高精
度产品的需求日益迫切,然而传统的CeO
2
抛光粉
现在已经不足以满足这种高精度要求,因此近些年
来越来越多的研究人员致力于CeO
2
抛光性能改良
的研究胡建东等[1]制备了亚微米级超细CeO
2
ZrO
2
复合氧化物;郝仕油等[2]以硝酸铈锆为原料、
氨水作沉淀剂制得超细CeZrO粉末;傅毛生等[3]
制得超细Ce
0.8
Zr
0.2
O
2
磨料;徐招弟等[4]采用水热合
成法制得Ce
0.5
Zr
0.5
O
2
纳米粉体;BAKKIYARAJ
等[5]制得晶粒尺寸更小,形状为均匀的小球状Zr掺
杂CeO
2
纳米粒子从上述实验均发现Zr使得抛光
粉的粒度减小且粒径分布均匀,抛光液悬浮稳定性
提高,团聚程度减弱此外,CHEN等[6]通过水热法
制得Zr掺杂的CeO
2
纳米管;BAKKIYARAJ等[5]制
收稿日期:2019-03-24
基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2018MS02016).
作者简介:贾慧灵(1976-),女,内蒙古包头人,内蒙古科技大学副教授,博士,研究方向为稀土氧化物材料制备.
通讯作者:邹春阳(1994-),男,吉林吉林人,内蒙古科技大学硕士研究生.
内蒙古科技大学学报2019年6月 第38卷第2期
得Zr掺杂的CeO
2
纳米粒子;SUGIURA[7]制得
CeO
2
ZrO
2
固溶体他们研究发现Zr掺杂使得
CeO
2
化学活性和催化活性显著增强
上述实验表明:Zr的掺杂可以提高CeO
2
的抛
光性能,但对于其具体的作用机理,以及对微观结构
的影响尚不明确本文采用基于密度泛函理论的第
一性原理,计算并分析了Zr掺杂对CeO
2
(111)表面
结构和电子结构的影响
1 计算方法及模型
利用基于密度泛函理论的从头算量子力学程序
VASP计算了Zr原子掺杂对CeO
2
(111)表面的电子
结构及空位形成的影响计算过程中,把
Ce4f5s5p5d6s,O2s2p和Zr4p4d5s电子组态作为
价电子,采用投影缀加平面波PAW(projectoraug
mentedwave)方法描述芯电子与价电子之间的相互
作用,电子交换关联势采用广义梯度近似法GGA
(generalizedgradientapproximation)中的PBE(Per
dewBurkeErnzerhof)泛函考虑到Ce为稀土元素,
其4f电子具有高度局域及强关联效应,标准的DFT
方法对4f电子间相互作用描述不足,因此,引入
HubbardU参数(即DFT+U方法)经计算验证:
本文选取U=45eV,与文献[8,9]一致布里渊区采
用MonkhorstPack方法选取大小为5×5×1的k点
网格,原子结构弛豫优化时的电子和离子收敛精度
分别设定为10-4eV和10-3eV,平面波展开的截断
能ENCUT为440eV
用PBE+U的计算方法对CeO
2
体相材料初始
晶胞结构进行优化计算,算得其晶格常数为5482×
10-10m,与实验值(5411×10-10m)[10,11]及其他
人[12,13]的计算结果相符由于CeO
2
的(111)表面
是最稳定的低指数面[14],因此本计算采用P(2×2)
的超晶胞表面结构模型,模拟CeO
2
(111)表面如图
1(a)所示以CeO
2
为衬底,表面以氧原子终止,在
Z方向上建立9层结构,上方1~6层原子松弛,下
方7~9层原子固定(图1(a)虚线框中原子),并在
顶端增加15×10-10m的真空层在图1(b)中还标
识出了Ce,O原子在CeO
2
(111)表面吸附的5个不
同的高对称位置
O
t
为表面氧顶位;Ce
bri
为表面铈
桥位;O
h
为表面氧三度位(也是次表面氧顶位);O
bri
为表面氧桥位;Ce
t
为表面铈顶位
图1 弛豫后CeO
2
(111)表面模型
Fig.1 SurfacemodelofCeO
2
(111)afterrelaxation
(a)侧视图;(b)俯视图
对初始结构进行优化计算,弛豫后CeO
2
(111)
表面的表层Ce—O键键长为2369×10-10m,比底
层的Ce—O键长2374×10-10m稍有缩短Ce原
子层间距几乎不变,但氧原子层间距(如图1(a)中
D所示)减少了0040×10-10m,与YANG[12]的结果
相同弛豫后表面其余原子只发生微小移动,基本
保持初始对称结构
2 结果及讨论
2.1 Zr掺杂对CeO
2
(111)表面结构的影响
对于Zr在CeO
2
(111)表面掺杂共有Zr原子取
代表层Ce原子、Zr原子取代表层O原子、Zr原子进
入晶体间隙3种情况产生,为衡量Zr原子在不同位
置掺杂的稳定性.采用平均形成能(E
form
)
公式加以比较,公式如下[15]:
E
form
=(E
total
-mE
Ce
-nE
O
-E
Zr
)/N.(1)
式中:
E
total
为掺杂体系总能;m,n分别代表Ce,O原
子个数;E
Ce
,E
O
,E
Zr
分别代表优化后的Ce,O,Zr原
子的单原子能量;N为晶胞内的原子总数对Ce,
O,Zr原子进行参数优化,并利用式(2)计算内聚能
E
coh
,依此验证所算得单原子能量的准确性
E
coh
=-(E
nsin
-E
sin
×n)/n.(2)
式中:E
coh
为原子的内聚能;E
nsin
为晶胞弛豫后体系
总能量;E
sin
为单原子能量,n为晶胞中原子个数计
算得到具体参数如表1
将表1中各原子单原子能量带入式(1)中,算
得不同位置的平均掺杂形成能如表2
411
贾慧灵,等:Zr掺杂对CeO
2
(111)表面空位形成及电子结构的影响
表1 Ce,O,Zr单原子能量及其它参数
Table1 MonoatomenergiesandotherparametersofCe,O,Zr
原子
E
sin
/eVE
nsin
/eV
晶格常数或键长/×10-10m
计算值实验值相对误差/%
内聚能/eV
计算值实验值相对误差/%
Ce-1.396-23.0015.2305.1601.3604.4154.3202.220
O-1.892-9.8501.2331.2091.9853.0352.60016.731
Zr-2.103-16.9633.3163.2302.6636.3796.2502.064
表2 Zr原子在不同位置的掺杂体系总能
及平均形成能
Table2 Totalandaverageformationenergiesof
Zrdopedsystemsatdifferentlocations
掺杂位置ZrCeZrOZr在间隙位
E
total
/eV
-292.254-274.579-294.879
E
form
/eV
-6.372-5.894-6.233
由表2可以看出,Zr在不同位置所形成掺杂体
系的平均形成能均为负值,且Zr原子取代表层Ce
原子时平均形成能最低,此掺杂体系最稳定
用PBE+U的计算方法对Zr取代表层Ce原子
的CeO
2
体系(Ce
0.92
Zr
0.08
O
2
)进行结构优化,发现相
比于CeO
2
体相材料,该体系的晶格常数略有收缩,
为5462×10-10m这是由于Zr4+离子半径比Ce4+
的离子半径小,离子半径小的Zr4+取代离子半径大
的Ce4+,形成的Zr—O键键长也小于Ce—O键键
长,因此造成晶格常数的减小
与CeO
2
(111)表面体系相比,优化后的Ce
0.92
Zr
0.08
O
2
(111)体系在Zr离子附近产生更大的弛豫
(如图2)Zr离子最近邻的3个表层O离子向其靠
近0192×10-10m,与Yang[16]的计算结果相近,此
时Zr—O键键长为2177×10-10m,略小于Zr,O原
子的共价键半径和(2180×10-10m)由于表层O
离子向Zr离子靠近,使得次表层O离子向远离Zr
离子方向移动0035×10-10m与Zr离子次近邻的
表层O离子吸引最近邻的3个表层Ce离子向其移
动0021×10-10m,形成3个长度为2348×
10-10m的Ce—O键,而表层其他Ce—O键键长增
加到2440×10-10m表层Ce离子下移0063×
10-10m,Zr离子最近邻表层O离子下移0139×
10-10m,次近邻表层O离子下移0022×10-10m
图2 弛豫后Ce
0.92
Zr
0.08
O
2
(111)表面模型
Fig.2 SurfacemodelofCe
0.92
Zr
0.08
O
2
(111)afterrelaxation
(a)侧视图;(b)俯视图
2.2 Zr掺杂对CeO
2
(111)表面氧空位形成
及电子结构的影响
为了直观看出Zr掺杂对CeO
2
(111)表面氧空
位形成的影响,特引入氧空位形成能计算公式对Zr
掺杂前后的空位形成能进行对比,公式如下:
E
V
=E
TV
+0.5E
O
2
-E
total
.(3)
式中:E
TV
为含有表层氧空位的体系总能;E
O
2
为氧
气分子总能;E
total
为无空位体系总能计算发现Zr
掺杂前后的空位形成能分别为2744eV和
0704eV,Zr的掺杂明显降低了CeO
2
(111)表面氧
空位形成能
图3为掺杂前后各体系的态密度图,从图中可
以看出,CeO
2
(111)表面体系(图3(a))中费密能级
E
F
两侧存在大小为1735eV的带隙,说明CeO
2
(111)表面为绝缘体,与CeO
2
体相材料一致费密
能级E
F
左侧价带的峰值主要由O2p提供,少部分
来源于Ce4f5d,右侧的导带峰由Ce4f提供图3
(b)为含有O空位的CeO
2
(111)表面体系态密度
图,此图中在价带顶部与未被占据的Ce4f态之间
出现1个新的间隙态峰,并且位于费密能级E
F
左
侧这主要是由于O空位的产生使得部分Ce4+被
还原为Ce3+对于图3(c)所示的Zr掺杂CeO
2
(111)表面体系态密度图,可以看出与未掺杂体系
511
内蒙古科技大学学报2019年6月 第38卷第2期
的形状相近,说明Zr的掺杂对体系态密度无明显影
响在Zr掺杂的还原CeO
2
(111)表面体系(图3
(d))中费密能级左侧出现了1个和未掺杂还原体
系中形状和大小近似的间隙态,说明该体系同样存
在被还原的Ce3+
图3 各体系态密度图
Fig.3 Densityofstatesforeachsystem
3 结论
采用第一性原理计算Zr的掺杂对于CeO
2
(111)表面体系原子结构和电子结构的影响,分析
发现:Zr的掺杂使得表层Ce,O原子发生极大扰动,
尤其是掺杂中心附近;Zr的掺杂使得CeO
2
(111)表
面体系O空位形成能明显降低,但对体系态密度无
明显影响,而对于还原体系,掺杂前后均在导带底和
价带顶之间出现靠近费密能级的间隙态,表明存在
Ce4+被还原为Ce3+
参考文献:
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(责任编辑:师宝萍)
611
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