BiOF_(1-x)Cl_(x)固溶体的光电性质优化及第一性原理研究

BiOF和BiOCl都是紫外光响应降解有机污染物的高效典型光催化剂,但其光吸收带边分别为4.00eV和3.77eV,只能吸收部分紫外光进行催化反应,因此光催化效率受到限制。受到半导体能带弯曲现象的启发,本文采用团簇展开方法(cluster expansion,CE)并结合第一性原理计算,搜索了BiOF_(1-x)Cl_(x)有序及无序固溶体的晶体结构,计算了这些固溶体的热力学性质和光电性质。计算结果表明,在BiOF_(1-x)Cl_(x)的有序固溶体中,Cl-更倾向于优先取代同一层的F-;在BiOF_(1-x)Cl_(x)的无序固溶体中,Cl-随机取代F-。以BiOF_(0.50)Cl_(0.50)为例,无序固溶体的形成焓ΔH比有序固溶体高60meV·(f.u.)-1。BiOF_(1-x)Cl_(x)(0<x<1)的有序及无序固溶体多为间接带隙半导体,且带隙大小呈现不同程度的能带弯曲。低温时,BiOF_(1-x)Cl_(x)固溶体多为有序固溶体,x=0.17时,能带弯曲程度最大。高温时,无序BiOF_(1-x)Cl_(x)固溶体更容易形成,且x=0.60时,能带弯曲程度最大,吸收带边红移至3.59eV,带边吸收强度提升了2个数量级。基于本工作的计算结果,我们预测BiOF和BiOCl形成的固溶体在紫外区的光吸收范围和吸光效率,会得到进一步的提升。