Ti 掺杂蓝宝石中的缺陷复合体：第一性原理研究

进行了第一性原理计算以研究 Ti 掺杂$\alpha$-Al$_2$O$_3$晶体中缺陷复合体的形成。在 Al-Ti-O 相关相的不同平衡条件下，计算了孤立 Ti$^{3+}$和 Ti$^{4+}$缺陷、Ti 离子对、三重态和四重态以及 Al 空位的形成能。考虑到整个系统的电荷中性，我们确定了简单缺陷和复杂缺陷的平衡浓度，以及$\alpha$-Al$_2$O$_3$晶体中 Ti 的总平衡浓度。结果表明，复杂缺陷的平衡浓度可以与孤立取代型 Ti$^{3+}$和 Ti$^{4+}$缺陷的浓度处于同一数量级甚至更大。研究发现，在 Ti 缺乏的条件下，孤立缺陷的相对分数增加，平衡向 Ti$^{4+}$缺陷偏移。得到了孤立缺陷和复杂缺陷平衡浓度之间的普适关系。计算了具有复杂缺陷系统的能带结构，并发现了由此类缺陷引起的带隙内的额外能级。