金红石基 TiO$_2$ 中氧空位驱动的电子局域化与巡游性

在密度泛函理论(DFT)与动力学平均场理论(DMFT)的电荷自洽组合框架内，本文研究了金红石结构的缺氧 TiO$_2$ 以及 Ti$_3$O$_5$ Magn{\'e}li 相。结果表明，二氧化钛中孤立的氧空位(V$_{\rm O}$)不足以在低温下使系统金属化。在半导体相中，于 $\varepsilon_{\rm IG}^{\hfill}\sim -0.75\,$eV\, 处识别出一个带隙内态，与实验数据高度吻合。由三重 V$_{\rm O}$-Ti 配位以及纠缠的 $(t_{2g},e_g)$ 态产生的能带状杂质能级，因依赖于格点的电子关联而局域化。V$_{\rm O}$ 近邻的 Ti 离子发生电荷局域化与强烈的轨道极化，其细节可通过改变关联子空间来调整。在更高的氧空位浓度下，Magn{\'e}li 相中稳定了关联金属态。具有相同化学计量比的 V$_{\rm O}$ 缺陷金红石结构在轨道分辨特征与光谱性质上表现出关键差异。电荷歧化在缺氧化合物中至关重要，但未观察到由电荷序驱动或维持的明显金属-绝缘体相变。