N-Al共掺杂TiO_2电子结构及光学性质的理论研究

应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N和Al单掺杂和共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、能带结构、态密度及光学性质。结果表明,掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长、晶胞体积都发生了不同程度的变化;单掺杂和共掺杂均使得禁带宽度减小,而且位于价带和导带之间的杂质能级能够捕获由价带跃迁至导带的电子,减少光生载流子的复合率,提高TiO2的光催化性能;与单掺杂相比,共掺杂能级分裂较明显,吸收光谱红移幅度更大。

N-Al共掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的GGA+U方法计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的GGA+U方法,应用Materials Studio 5.0软件包中的CASTEP程序模拟计算了Al掺杂锐钛矿型TiO2和N-Al共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构。计算结果表明:Al掺杂和N-Al共掺杂均能够降低TiO2的带隙值。Al掺杂是由于Al的3s和3p态使导带底端下移而导致TiO2的带隙变窄;而N-Al共掺杂由于在体系中引入了N2p态,使导带底端向能量更低的方向移动,比Al单独掺杂时具有更低的带隙值。该研究结果很好地解释了Al掺杂以及N-Al共掺杂诱使TiO2的导带底端下移,禁带宽度减小,导致光谱响应范围红移的内在原因。

射频辅助N掺杂ZnO薄膜的生长及其光电特性

在MOCVD设备中采用改进的射频辅助生长装置,通过裂解N2及N-Al共掺杂的方法进行ZnO的p型掺杂研究。通过二次离子质谱(SIMS)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)谱等方法分析了薄膜中N杂质的浓度,以及射频功率与晶体质量、表面形貌以及光学特性之间的关系,并与Al掺杂和N掺杂的ZnO薄膜进行对比。实验结果表明,N掺杂的浓度高达1020cm-3;N-Al共掺杂极大地增加了ZnO的成核速率,其主要原因是N离化所起的作用;N-Al共掺的ZnO薄膜显示出p型性质,而N掺杂的ZnO薄膜由于N原子处于非激活状态而呈现高阻,这说明N-Al共掺杂对ZnO中N原子的活化起到一定作用。