Труды КНЦ (Технические науки вып.2/2025(16))

Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2025. Т. 16, № 2. С. 9-14. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 9-14. Keywords: electronic and optical properties, substitution and interstitial defects, cubic barium stannate solid solution, proton conductor, coherent potential method Acknowledgments: The article was prepared with the support of the federal budget on the topic of the state assignment for Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences № 124020600007-8, M. N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences № 122021000039-4, Institute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences № 124032000068-8. Funding: State task on the topic of research № 124020600007-8, № 122021000039-4, № 124032000068-8. For citation: Zainullina V. M., Korotin M. A., Vlasov M. I. Influence of multicomponent doping on the electronic properties of barium stannate // Transactions of the Коіа Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 9-14. doi:10.37614/2949-1215.2025.16.2.001. Введение Твердые растворы на основе станната бария BaSn 1 -xScxO 3 - 8 Hy привлекают внимание исследователей в первую очередь в качестве перспективного протонного проводника. Транспортные и оптические свойства станната бария определяются типом и концентрацией дефектов замещения и внедрения и содержанием кислорода (3-5). Так, стехиометрический BaSnO 3 является полупроводником с величиной энергетической щели от 2,95 до 3,6 эВ [1; 2]. Легирование скандием приводит к увеличению величины энергетической щели (ЭЩ) твердых растворов BaSn 1 -xScxO 3-5 и BaSn 1 -xScxO 3 Hy до значений 3,6—4,0 эВ при x = 0,37. Одновременно введение акцепторной добавки позволяет регулировать концентрацию кислородных вакансий (5 ~ x/2) в твердом растворе BaSn 1 -xScxO 3 -x /2 и, как следствие, содержание протонов, инкорпорируемых в вакантные кислородные позиции в виде OH-ионов из атмосферы, содержащей H 2 O [3]. В то же время дефицит кислорода и легирование ионами 3d переходных металлов (Mn, Fe, Co) способствуют уменьшению ЭЩ станната бария до значений 1,8-2,8 эВ [4; 5]. С целью определения природы наблюдаемых закономерностей изменения величины ЭЩ были выполнены расчеты электронной структуры кубических твердых растворов BaSn 1 -xScxO 3 - 5 Hy в зависимости от состава 0 < x < 0,37; 0 < у < 0,37 и 0 < 5 < 0,125 методом когерентного потенциала [6; 7] с учетом данных нейтронной дифракции для BaSn 0 , 6 Sc 0 , 4 O 3 H 0,4 [8]. Изучено влияние атомарных дефектов одного типа на электронный спектр станната бария в окрестности ЭЩ, таких как вакансии в подрешетке кислорода (состав BaSnO 2 , 875 ), атомы скандия в подрешетке олова (BaSn 0 , 875 Sc 0 , 125 O 3 ) и атомы водорода в межузельных позициях (фаза BaSnO 3 H 0 , 125 ). Также выполнены расчеты электронной структуры станнатов бария BaSn 1 -xScxO 3 Hy, одновременно легированных атомами скандия и атомами водорода, где y = х, моделирующих экспериментальные составы BaSn 1 -xScxO 3 -x/ 2 , отожженные во влажной атмосфере. На основе расчетов методом когерентного потенциала воспроизведена экспериментальная тенденция повышения ЭЩ в твердом растворе BaSn 1 -xScxO 3 Hy с ростом концентрации скандия. Показано, что эффект увеличения величины ЭЩ в BaSn 1 -xScxO 3 Hy обусловлен перераспределением вкладов Sn5s, 5p, 4d и Sc3d состояний в плотность состояний краев валентной полосы и зоны проводимости и отсутствием 4s, 4p, 3d состояний Sc и s состояний H в области ЭЩ BaSnO3. Результаты и обсуждение Электронный спектр стехиометрического BaSnO 3 (рис. 1, a ) имеет полупроводниковый характер с величиной ЭЩ 3,01 эВ, близкой к экспериментальному значению 3,04 эВ. Вычисленный электронный спектр BaSnO 3 хорошо совмещается со спектрами рентгеновской эмиссионной и абсорбционной спектроскопии близкого состава Ba 0 , 97 La 0 , 03 SnO 3 [9]. В энергетическом интервале от 0 до -8,1 эВ располагается валентная полоса, состоящая из гибридных O 2p -S n5 s-S n5p -S n4d состояний с доминированием вклада от Sn5s (A пик), Sn5p (B пик) и Sn5p, Sn4d (C пик) функций. Выше по энергии (>3,1 эВ) находится зона проводимости, дно которой образовано Sn5s состояниями. Начиная с энергии 4,6 эВ наблюдаются Ba5d состояния (не показаны на рис. 1). © Зайнуллина В. М., Коротин М. А., Власов М. И., 2025 10