锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理平面波超软赝势方法计算了锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质,并从理论上分析了它们之间的关系.利用精确计算的能带结构和态密度分析了电子带间跃迁占主导地位的锐钛矿相TiO2的介电函数、复折射率、反射率和吸收系数,理论计算得到的结果与实验测量结果基本一致.结果表明锐钛矿相TiO2在E∥c和E⊥c两个极化方向上具有明显的光学各向异性,为锐钛矿相TiO2的应用提供了理论依据.

V掺杂锐钛矿相TiO_2的光吸收特性

使用V2O5和乙醇作为V掺杂TiO2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相TiO2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相TiO2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红移效果最明显.此外,运用第一性原理,对V掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行了研究,并运用能带结构理论对实验现象进行了解释.研究中发现:在V掺杂锐钛矿相TiO2后,随着V浓度的增加,TiO2的禁带宽度逐渐减小,光谱响应范围扩大,能提高它的可见光响应;但是由于掺杂后价带与导带比较接近,容易形成新的空穴-电子复合中心,以及导带区域V3d轨道上电子与Ti3d轨道上的电子强关联作用也会降低电子的还原性,所以V浓度的增加会使TiO2的光催化性能降低.理论上计算出在V掺杂浓度为6.25%(摩尔分数)时,TiO2的光吸收边红移最大,与实验得到的变化趋势相吻合.

非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后发生的晶格畸变、原子间的键长及原子的电荷量的变化,导致了晶体中的八面体偶极矩增大,使光生电子-空穴对能有效分离;掺杂离子的p态电子与O2p态、Ti3d态杂化形成杂质能级、价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区。这些计算结果很好地解释了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因。

S、Mn共掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2,S、Mn分别单掺杂及共掺杂TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间的键长、原子的电荷量以及晶体体积都发生变化,导致晶体中八面体偶极矩增大,从而有利于光生电子-空穴对的分离;S掺杂在TiO2的价带顶部形成杂质能级,Mn掺杂在TiO2的导带下方和费米能级附近形成杂质能级,共掺杂后TiO2禁带宽度变窄,光学吸收带边发生红移,TiO2在可见光区有明显的吸收;同时S、Mn共掺杂后TiO2的带边位置发生了明显变化,氧化还原能力增强。

Pt掺杂锐钛矿相TiO_2光催化剂的微观机理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了Pt掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质,结果表明,Pt掺杂后锐钛矿相TiO2晶格产生畸变,晶胞体积增大晶胞内部八面体偶极矩增加;Pt5d轨道与O2p轨道、Ti3d轨道杂化,分别在价带顶和导带底产生杂质能级,禁带宽度变小,光吸收带边红移至可见光区。理论计算结果与文献报道的实验结果基本一致,较好地阐明了Pt掺杂提高锐钛矿相TiO2光催化性能的机理。

W掺杂锐钛矿相TiO_2电子能带结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算了W掺杂前后锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度及吸收光谱。计算结果表明,W掺杂后锐钛矿相TiO2的禁带宽度减小,且其费米能级移至导带内;W原子对最近邻的Ti和O原子的电子态有显著影响,而对离其较远的Ti和O原子的电子态基本无影响;W掺杂导致锐钛矿相TiO2对紫外光和可见光的吸收减弱,与实验所得W掺杂前后TiO2薄膜的透射光谱显示的结果较一致。

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO_2(101)表面电子结构的第一性原理计算(英文)

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构.由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷,本文也采用DFT+U(Hubbard系数)方法对模型的电子结构进行了计算.DFT的计算结果表明N掺杂后,N2p轨道与O2p和Ti3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低,而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响.DFT+U的计算却给出截然不同的结果,N掺杂并没有导致带隙能的降低,而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级,反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低.DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO_2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO_2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO_2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO_2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近.Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO_2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO_2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛(TiO_2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用.本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法,对锐钛矿结构TiO_2晶体三种可能的(Co,N)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂(Co/N)体系进行了对比.结果表明,在三种共掺杂TiO_2中,Co与N相邻时晶格畸变最小,但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时,较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外,因为C0与N成键,其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异.(Co,N)共掺杂体系与未掺杂TiO_2的相比,其禁带宽度较小,禁带中存在杂质能级,因此其吸收边红移,在可见光波段有较好的光吸收能力.故(Co,N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO_2在可见光波段的光催化性能.

Al、F掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算研究了Al掺杂、F掺杂、Al-F共掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度和吸收光谱。计算结果表明:掺杂TiO2的禁带宽度均有不同程度的减小,其中Al掺杂TiO2禁带宽度减小幅度最大;掺杂TiO2的吸收边均出现不同程度的蓝移,其中F掺杂TiO2吸收边的蓝移程度最大;在可见光区,F掺杂TiO2的吸收能力明显增强,Al掺杂TiO2居中,而Al-F共掺杂TiO2未增强。

锐钛矿相TiO_2中P掺杂浓度与电子结构的关系

利用基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面波方法对不同浓度P替位Ti掺杂锐钛矿相TiO2的晶格参数、P电荷布居、能带结构、态密度和吸收光谱进行计算。计算结果表明:随着P掺杂浓度的增加,锐钛矿相TiO2的晶胞体积逐渐减小,但掺杂P原子的电荷布居数基本没有变化;同时禁带宽度逐渐增大,并在价带顶附近引入了掺杂能级,费米能级进入导带,使TiO2呈现半金属特性。随着掺杂浓度的增大,掺杂TiO2在可见光区域吸收逐渐增强,同时吸收带边蓝移程度逐渐增大。本研究中P掺杂锐钛矿相TiO2禁带宽度的计算结果与实验获得的随P掺杂浓度的提高TiO2禁带宽度增大相一致。

金属掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的从头算平面波超软赝势方法,计算了纯锐钛矿相TiO2及5种不同金属掺杂TiO2的晶格常数、能带结构、态密度与光吸收系数。结果表明,掺杂后能级的变化主要是过渡金属Co3d、Fe3d、Zr4d、Zr4p、V3p、V3d、W5d及W5p轨道的贡献。随着Co、Fe、V掺杂浓度的增加,禁带宽度呈减小趋势;Zr掺杂对能带结构几乎不产生影响;W掺杂能级远离禁带,只对价带构成产生了影响。金属掺杂使禁带宽度变化或出现新杂质能级,导致了TiO2吸收边沿红移或在可见光区域出现新的吸收峰;其中Co、Fe掺杂的吸收边沿明显红移,而W掺杂时在可见光区域出现较强的吸收峰。

基于第一性原理计算的B掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,对B掺杂锐钛矿相TiO2的晶胞参数、B—O键长、电荷布居、能带结构、电子态密度及吸收光谱进行了计算。结果表明,B掺杂使TiO2晶格发生畸变,晶胞体积略有减小;B掺杂后TiO2的禁带宽度仅减小0.02eV,且在其价带底引入了掺杂能级;B掺杂可促进TiO2在紫外光区和可见光区的光吸收。

Zn掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了Zn掺杂及O空位存在时锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度、电荷布居和吸收光谱。结果表明:Zn掺杂锐钛矿相TiO2为间接带隙半导体,O空位的存在会引起导带和价带底下移;Zn原子的3d轨道主要对TiO2的价带底有贡献;Zn掺杂使锐钛矿相TiO2在大部分可见光区的光吸收能力增强,并使其在紫外光区发生蓝移;而O空位的存在削弱了其在可见光区的光吸收能力,并增大了其在紫外光区的蓝移程度。

Mo掺杂锐钛矿相TiO2磁光性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法研究了Ti_(0.97917)Mo_(0.02083)O_2,Ti_(0.96875)Mo_(0.03125)O_2和Ti_(30)Mo_2O_(64)超胞模型的晶格常数,能带结构,态密度和吸收光谱分布。研究结果表明,随着Mo掺杂量的增大,掺杂体系的体积逐渐增大,形成能逐渐升高,掺杂越困难。与此同时,掺杂体系吸收带边均显著红移,禁带宽度均变小,所有掺杂体系均转化为n型简并半导体。与未掺杂TiO_2相比较,随着Mo掺杂量提高,掺杂体系禁带宽度减小趋势逐渐减弱,吸收光谱红移减弱。同时,体系的磁矩减小。

S和La共掺杂对锐钛矿相TiO_2微观结构和性能的影响

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯TiO2、S和La分别单掺杂及共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构、光学性质及带边位置,结果表明,S掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长和原子电荷都发生了变化,导致掺杂后的八面体偶极矩增加,从而有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光催化性能;S掺杂TiO2禁带中出现杂质能级,从而将TiO2的光谱响应红移至可见光区;La掺杂TiO2杂质能级出现在导带而非禁带中,带隙有所减小,吸收光谱的阈值波长发生了一定的红移;而S、La共掺杂TiO2的光谱响应范围向可见光区明显拓展,且氧化还原能力增强,因此S、La共掺杂可显著提高TiO2光催化性能。

Ni、Cu、Pt掺杂改性锐钛矿相TiO_2原理的全势线性缀加平面波法分析

利用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波(FP-LAPW)法,计算并比较Ni、Cu、Pt掺杂前后锐钛矿相TiO2晶体的能隙和电子态密度.计算结果表明,Ni、Cu、Pt掺杂后TiO2的带隙分别为1.33、1.87和1.17 eV,相对于未掺杂的锐钛矿相TiO2(带隙为2.30 eV)都有明显的变窄,因而使吸收光谱红移.对于相同剂量的掺杂,同周期的Ni比Cu的掺杂效果更明显,同副族的Pt比Ni的掺杂效果更明显.

Eu、N共掺锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的平面波超软赝势法计算了Eu、N单掺杂和共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明,Eu单掺杂TiO2体系,可以减少光生电子-空穴对的复合速率;N单掺杂TiO2增强了其对可见光的响应;而Eu/N共掺杂引起晶格畸变,导致禁带宽度变窄,光吸收带边红移到可见光区,提高TiO2的光催化效率以促进其更好的利用太阳能。

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2及掺杂3d过渡金属TiO2的几何、电子结构及光学性质.计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献,掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO2吸收带边能否出现红移的重要因素.Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Cu掺杂使TiO2的吸收带边产生红移,并在可见光区有一定的吸收系数;Sc,Zn掺杂使TiO2的吸收带边产生蓝移,但在可见光区有较大的吸收系数;掺V不但使TiO2的吸收带边产生红移,增强了在紫外光区的光吸收,而且在可见光区有非常大的吸收系数.

S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S3p态与O2p态、Ti3d态杂化而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些结果很好地解释了S掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.根据计算结果分析比较了硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构和光催化性能影响的差别.