D0I:10.13374/j.issnl(001053x.2001.05.006 第23卷第5期 北京科技大学学报 VoL23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 SrTiO,的缺陷化学 罗世永张家芸 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要系统分析了有关STiO,的缺陷化学的文献报道，在此基础上给出了未掺杂、受主和施 主掺杂STiO,的缺陷反应方程、平衡常数、各种缺陷的生成自由能和生成焙.由此可以计算和 预测STiO,主要点缺陷的浓度. 关键词钛酸锶；缺陷反应；点缺陷浓度 分类号TG39 SrTio,通过还原或糝杂后可以用作晶界电 方程，式中Ks(T)称为Schottky常数，Es称为 容器材料2)、气敏材料、半导体材料和超导 Schottky能.在较高温度下，正常格点的氧放出 .材料作为一类重要的铁电功能陶瓷材料仰， 2个电子到导带，形成带2个正电荷的氧空位 SrTiO,在微电子技术中具有广泛的应用和开发 06Vg+2e420, (3) 前景.温度，氧分压以及摻杂杂质种类不同，缺 式中，O。为在正常氧格点上的氧原子，V6为二 陷结构不同，材料所具有的性质也不同.因此其 价氧离子空位，e'为导带电子. 缺陷化学得到了广泛的研究s,”.但文献报道内 各缺陷的浓度用“[”表示，假定Oǒ为常数， 容分散，且重复性较差，目前未见有较全面的分 则反应(3)的质量作用定律式为 析报道.立方钙钛矿型碱土钛酸盐，如BaTiO,和 STiO,具有相同类型的缺陷反应，只是缺陷反 swn8=Kom-4学 (4) 应平衡常数不尽相同例.本文根据钙钛矿碱土钛 式中，n=[e门，Po,为氧分压，Kka(T)为形成二价氧 酸盐相关缺陷研究报道，系统分析总结了STiO, 离子空位反应的平衡常数，△H为还原焙.k为 的缺陷化学，给出了在较大温度范围内受主和 波尔兹曼常数 施主摻杂STiO,的缺陷计算方法和所需参数， 低温下氧空位可能得到-一个电子变成单价 可以定量计算和预测经摻杂后主要点缺陷的浓 氧空位Vo. 度和材料的电学性能，为相关材料设计提供科 Vo'+e'+Vo (5) 学的依据 相应的质量作用定律 =K(m-=R.e- Ev. Vo (6) 1 SrTio,中的基本的缺陷反应 可以推断，单价氧空位还可能进一步得到一个 采用KrOger-Vink符号.形成Schottky缺陷 电子变成中性氧空位. 反应 g=K.(m=k恐.eg- (7) 0+SrsVV+"SrO" (1) 氧空位常称为本征施主， 式中，V为Sr离子空位，"SrO"为可以完成空位 在大多数情况下，Sr空位为负二价Sr空位 生成复合可重复生长的位置的SO,如第二相 缺陷，但也可能像氧空位一样，变成单价锶空位 或表面上的SrO等. 和电中性锶空位 [v:JV:]=-km=kcer-别 (2) 2-k.(m=&em-剂 V (⑧) 由于可以忽略钛空位，式(2)常称为Schottky (vig-K.()-Kt.e) Ev V” (9) 收稿日期2001-02-27罗世永男，33岁，博士生 Seuter等周和Eror和Symth等认为，在Ba- *国家自然科学基金资助项目0No.59774023) TO,中存在单价阴离子空位V。和单价阳离子空第 ￾￾卷 第 ￾期 ￾￾￾年 ￾￾月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾二￾￾￾￾￾￾￾￾口￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾留 ￾￾￾恤￾ ￾￾￾￾ ￾￾ 一￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾。 的缺陷化学 罗世永 张 家芸 北京科技大学冶金学院 ， 北京 ￾￾￾ 摘 要 系统分析 了有关￾￾￾ 的缺陷化学的文献报道 ， 在此基础 上给 出了未掺杂 、 受主 和施 主掺杂 ￾￾￾ ￾ 的缺陷反应方程 、 平衡常数 、 各种缺陷的生成 自由能和生成熔 ￾ 由此可 以计算和 预测 ￾币￾￾ 主要点缺陷的浓度 ￾ 关镇词 钦酸惚 ￾缺 陷反应 ￾点缺陷浓度 分类号 ￾￾￾￾ ￾￾￾ ， 通 过还 原或掺杂后可 以 用作晶界 电 容器材料’切 、 气敏材料‘￾ 、 半导体材料‘￾ 和超导 ￾ 材料 ‘￾ ￾ 作为一类重要 的铁 电功能陶瓷材料 ‘“ ， ￾￾￾，在微电子技术 中具有广泛 的应用 和开 发 前景 ￾ 温度 ， 氧分压 以及掺杂杂质种类不 同 ， 缺 陷结构不 同 ， 材料所具有的性质也不 同 ￾ 因此其 缺陷化学得 到 了广泛 的研究 ‘￾ ￾ 但文献报道 内 容分散 ， 且重复性较差 ， 目前未见有较全面 的分 析报道 ￾ 立方钙钦矿型碱土钦酸盐 ， 如 ￾￾￾ ， 和 ￾￾￾，具有相 同类 型 的缺陷反应 ， 只是缺陷反 应平衡常数不尽相 同‘￾ ￾ 本文根据钙铁矿碱土钦 酸盐相关缺陷研究报道 ， 系统分析总结 了 ￾￾仇 的缺陷化学 ， 给 出了在较大温度 范 围 内受主 和 施 主掺杂 ￾￾￾， 的缺陷计算方法 和所需参数 ， 可 以定量计算和预测经掺杂后 主要点缺陷的浓 度和 材料 的 电学性能 ， 为相关材料设计提供科 学 的依据 ￾ 方 程 ， 式 中￾￾乃称 为 ￾￾诚勺 常 数 ，￾ 称 为 ￾￾￾匆 能 在较高温度下 ， 正常格点的氧放 出 ￾个 电子 到导带 ， 形 成带 ￾个 正 电荷的氧空位 。。￾’￾咖 ￾ 式 中 ， ￾乙为在 正 常氧格点上 的氧原子 ， 价氧离子空 位 ， ￾‘为导带 电子 ￾ ￾￾￾ ￾言为二 ￾ ￾￾￾￾￾ 中的基本的缺陷反应 采 用 ￾汾￾￾￾劝￾ 符号‘￾ ￾ 形成 ￾￾叭￾￾缺陷 反 应 ￾扮￾呜劳从￾十￾言￾ ￾￾旧 ” ￾￾ 式 中 ， ￾瓷为 ￾￾离子空位 ， ” ￾￾ ” 为可 以 完成空 位 生成复合可重复生长 的位置 的 ￾心 ， 如第二相 或表面上 的 ￾旧 等 ￾ 〔￾￾，〔￾’，一 ￾‘”一 “·碱 一 俐 ￾￾￾ 由于可 以忽略钦空位 ， 式￾￾常称为 ￾￾￾￾叮 各缺陷的浓度用 ‘，￾￾’表示 ， 假定眺为常数 ， 则反应￾￾的质量作用定律式 为 ￾￾￾〕 、 一 、 ·。卜喇 ￾‘￾ 式 中 ， ￾ ￾ 【￾￾ ， 凡为氧分压 ，瓜 ￾ ￾乃为形成二价氧 离子空位反 应 的平衡常数 ， 图叽“ 为还原焙 ￾ ￾为 波尔兹曼常数 ￾ 低温下 氧空位可能得到一个 电子变成单价 氧空 位￾乙，，￾， ￾ ￾言￾￾‘骨巩 ￾￾￾ 相应 的质量作用 定律 「￾片￾￾ ，￾ ， ￾ ， ‘ ￾ 石儿 、 气头拦 ￾ 凡 口 ， ￾乃￾ 川 了 ￾￾￾￾一号别 ￾￾ 巩 ‘ “ ‘ ， 、 ‘ ￾ ‘ “ 粉’“钱 ￾￾￾ 可 以推断 ， 单价氧空位还 可能进一步得 到一个 电子变成 中性氧空 位 ￾ 「珑￾￾ ， ，， ￾ ， ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ 炭箭 一 ￾ 。 ￾力一 心 · ￾喊 一 节￾ ￾ 氧空 位常称为本征施 主 ￾ 在大多数情况下 ， ￾￾ 空位 为负二价 ￾ 空位 缺陷 ， 但也可能像氧空位一 样 ， 变成单价铭空 位 和 电中性银空 位 ￾ ￾ 凡 ￾ ￾ ￾乃￾ 川 胃 ￾ 凡 ￾ ￾乃￾ 心 ￾ 门月￾当￾” 尼一￾认 收稿 日期 ￾￾￾￾刁￾￾￾￾ 罗 世永 男 ， ￾ 岁 ， 博士 生 ￾ 国家 自然科学基金资助项 目伽￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾等，，和 ￾￾￾￾和 ￾￾￾￾ 等‘川认为 ， 在 ￾￾ ￾￾￾ 中存在单价 阴离子空 位讥和单价阳离子空 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００１．０５．００６