C掺杂TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了C元素掺杂TiO2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。通过对比发现,由于C原子的掺入,体系的禁带宽度减小。结合态密度进行分析,给出了禁带宽度减小的主要物理机制,并给出了掺杂后材料的光学性质,提出了C掺杂TiO2体系在光学元器件方面的潜在应用。

氮气流量对磁控溅射C掺杂TiO2薄膜光学性能的影响

采用磁控溅射法制备了C掺杂TiO2薄膜,并研究了氮气引入溅射过程对薄膜光学性能的影响。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、分光光度计和原子力显微镜分析了不同氮气流量下薄膜的微结构、元素价态、透光性能和表面形貌。结果表明,沉积的薄膜主要是非晶结构,拉曼光谱中存在少量锐钛矿相,且随着氮气流量增大,锐钛矿特征峰强度减弱,意味着晶粒出现细化。当氮气流量增大为4cm3/min时,C掺杂TiO2薄膜内氮元素含量为3.54%,其光学带隙从3.29eV变化至3.55eV,可见光区的光学透过率明显提高。可见改变氮气流量可实现对C掺杂TiO2薄膜光学带隙和光吸收率的有效调控。

一步溶剂热法合成C掺杂介孔TiO_2可见光光催化材料

在无模板剂的条件下,以钛酸四丁酯为钛源,采用一步溶剂热法,在乙醇体系中合成出C掺杂TiO2球状介孔可见光光催化材料.通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附仪、X射线光电子能谱(XPS)、固体漫反射(UV-Vis)以及光降解罗丹明B实验等对其进行了结构表征和性能测试.实验结果表明,合成样品为锐钛矿晶型,材料表现为由纳米粒子堆积而成的大小均一的球形形貌.TiO2材料的结晶度和粒子形貌大小可以通过乙酸加入量来进行调控,这对于实际应用具有重要意义.同时,通过测试证明样品中的C原子进入TiO2晶格内部,取代了O原子的位置,窄化了TiO2内部的能带结构,从而大大提高了材料的可见光光催化活性,结果证明合成材料对污染物具有很好的吸附性能和光降解性能.

C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究

TiO在微电子结构器件中有重要的应用前景.本文以CO2作反应气体,采用直流反应磁控溅射方法成功制备出C掺杂TiO薄膜.采用XRD,XPS和四探针电阻计对薄膜结构、成分和电阻率进行表征.在实验结果的基础之上建立起TiO和C掺杂TiO的计算模型并采用第一性原理方法计算其能带结构和电子态密度.实验结果表明薄膜相结构为面心立方的岩盐结构,C取代O的阴离子掺杂为主要掺杂方式,薄膜电阻率为52.2μ·cm.第一性原理计算结果表明,费米能级穿过TiO的导带,TiO具有金属性导电的能带结构特征;C掺杂TiO后,其金属性导电的能带结构没有改变,只是在费米面附近出现C 2p态提供的杂质能级,杂质能级扩展了TiO的导带宽度并提高了费米面附近的电子能态密度,从而导至TiO电导增加,电阻率降低.第一性原理计算结果与实验结果一致.

基底负偏压对CO2气相反应溅射制备C∶TiO2薄膜性能的影响研究

采用射频磁控溅射法,选择CO2气相提供反应溅射时的碳和氧源,通过改变基底负偏压制备得到系列C掺杂TiO2(C∶TiO2)薄膜.紫外G可见分光光度计测定薄膜的透射率并用tauc作图法得到薄膜的带隙宽度,发现基底负偏压的增加有助于带隙宽度的窄化.拉曼光谱、X射线光电子能谱表征了C∶TiO2薄膜的结构和成分及元素化学键合态,分析表明,C∶TiO2薄膜主要为金红石相,C元素替代氧元素与Ti结合形成TiC键实现了C元素的掺杂.对甲基橙的光催化降解实验表明通过气相CO2制备得到的C∶TiO2薄膜具有较好的光催化活性,且随着基底负偏压值的增加,C∶TiO2薄膜对甲基橙的光催化降解效率会达到一个相对峰值后开始下降.测试了薄膜表面3种标准液体的接触角并分别计算了表面能各分量,结果发现,C∶TiO2薄膜受到紫外光照射后表面能中路易斯酸性分量有显著增加,这将有利于促进电子G空穴的有效分离.

碳掺杂二氧化钛光催化性能的第一性原理研究

使用第一性原理方法,计算了C掺杂TiO2材料的缺陷结构与能量,分析了在不同晶体生长环境下C掺杂TiO2晶体中的缺陷稳定性变化规律。结果表明在氧化条件下C掺杂TiO2中缺陷将主要以CTi的形式存在,而在还原气氛下得到的C掺杂TiO2中材料中缺陷结构主要以CO形式存在。对材料态密度的分析表明,CO缺陷结构能够在价带顶附近产生合适的能级,导致材料具有优秀的光催化性能。

碳掺杂对ΤiΟ_2晶相及光催化活性的影响

以钛酸四正丁酯为Ti源,采用改进的溶胶-凝胶法制备C掺杂TiO2,并对其制备过程中的影响因素进行探讨,并利用XRD、UV-Vis DRS等测试手段进行表征分析。结果表明:C源、C掺入量、焙烧温度等影响C-TiO2催化剂对甲基橙的降解活性。当蔗糖为碳源、m(C)∶m(TiO2)为7%、焙烧温度为500℃时,催化剂的活性最高,紫外光照6h后,甲基橙基本降解完全。XRD结果表明,C掺杂TiO2为混晶结构,主要以锐钛矿相存在,含少量金红石相,平均晶粒约为14.9nm。紫外-可见漫反射光谱显示,相比单纯TiO2,C-TiO2对光的响应发生红移。