CeO$_2$ 中的天然缺陷、氢杂质与金属掺杂

陶瓷 (CeO$_2$) 是一种具有重要技术意义的材料。对该材料缺陷物理与化学的详细理解是关键，以理解和优化其性质。本文报告了关于 CeO$_2$ 中天然点缺陷、氢杂质和金属掺杂的混合密度泛函研究。我们发现电子极子 ($\eta_{\rm Ce}^-$) 和氧空位 ($V_{\rm O}^{2+}$) 在从极端氧化到高度还原条件下均为主要的天然缺陷。氢在羟基 (H$_i^+$) 或氢化物 (H$_{\rm O}^+$) 结构中稳定，但在高度还原条件下，替代性 H$_{\rm O}^+$ 相对于 H$_i^+$ 更具能量优势。间隙 H$_i^+$ 在基体中高度可移动。镱 (Y) 在替代 Ce 位点处能量最优。铜 (Cu) 和镍 (Ni) 可以取决于制备条件的实际情况，在替代位点和/或间隙位点掺杂，并且掺杂原子可以处于不同的电荷和自旋态。在考虑到这些结果后，我们讨论了电子与离子导电性以及金属掺杂对电子极子和氧空位形成的影响。