La掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了La掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:La掺杂TiO_2(101)面时,可以引起晶格畸变和偶极矩的产生. La@in1、La@O■和La@O_2-O■模型为N型半导体,La@Ti_5和La@Ti_5-Ti_6模型为P型半导体. La@O■和La@O_2-O■模型的带隙减小和带隙中出现了杂质能级,杂质能级主要归因于Ti 3d轨道、O 2p轨道及它们之间的杂化作用. La@O_2-O■模型在可见光区的吸收能力最强,主要归因于晶格畸变、带隙减小和杂质能带的出现.这些因素可以促进电子空穴对的产生和分离,从而使其在可见光区的光催化能力得到显著增强.     

N/B掺杂石墨烯的光学与电学性质

石墨烯因其独特的化学成键结构而拥有出色的化学、热学、机械、电学、光学特性.由于石墨烯为零带隙材料,限制了其在纳电子学领域的发展.因此,为了拓宽石墨烯的应用范围,研究打开石墨烯带隙的方法显得尤为重要.本文构建了本征石墨烯、N掺杂石墨烯、B掺杂石墨烯三种模型,研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下的N/B掺杂石墨烯的能带结构、电子态密度及光学与电学性质,包括吸收谱、反射谱、折射率、电导率和介电函数等.研究结果显示:1)本征石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p轨道形成,而N/B掺杂石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p和N-2p/B-2p轨道杂化形成;2)N/B掺杂可以引起石墨烯费米能级、光学与电学性质的改变,且使狄拉克锥消失,进而打开石墨烯带隙;3)N/B掺杂可以引起石墨烯光学和电学性质的变化,且对吸收谱、反射谱、折射率、介电函数影响较大,而对电导率影响较小.本文的结论可为石墨烯在光电子器件中的应用提供理论依据.     

镍层间掺杂多层石墨烯的电子结构及光吸收特性研究

采用密度泛函理论计算分析镍原子层间掺杂对多层石墨烯电子结构和光吸收性能的影响.计算结果表明,掺杂镍原子后的石墨烯电子结构发生了改变,双层和三层石墨烯的带隙均可打开,最大带隙为0.604 eV;镍原子掺杂后的石墨烯d轨道电子的态密度在费米能级处产生尖峰效应,体系等离子能量增强;介电常数虚部和消光系数均增大,吸光性能提高.相关工作对深入探讨石墨烯的光学特性具有重要参考价值.     

Br掺杂对石墨烯带隙影响的实验研究

石墨烯独特的结构和性能使其在纳米电子、半导体器件等领域成为研究的热点,但其零带隙的特性严重限制了其应用.采用化学气化沉积法制备了多层石墨烯,并使用溴蒸汽对制备的多层石墨烯进行掺杂,分析研究了溴蒸汽化学掺杂对石墨烯带隙的影响.为了对比溴蒸汽掺杂对石墨烯带隙的影响,使用633 nm He-Ne光分别测量了石墨烯掺杂前和掺杂后的拉曼光谱,根据拉曼光谱计算了石墨烯费米能级移动与掺杂溴蒸汽之间的关系.实验结果表明:溴蒸汽掺杂对石墨烯拉曼光谱G带产生影响;随着掺杂溴蒸汽体积的增加,拉曼光谱G带向高频移动并逐渐趋于稳定;G带和2D带强度比也迅速增加,并最终趋于稳定.费米能级的移动与G峰位置成线性关系,利用G峰峰值位置与费米能级实验关系式计算了溴掺杂后石墨烯的费米能级,分析了化学掺杂对石墨烯带隙的影响.     

Br掺杂对石墨烯带隙影响的实验研究（英文）

石墨烯独特的结构和性能使其在纳米电子、半导体器件等领域成为研究的热点,但其零带隙的特性严重限制了其应用。采用化学气化沉积法制备了多层石墨烯,并使用溴蒸汽对制备的多层石墨烯进行掺杂,分析研究了溴蒸汽化学掺杂对石墨烯带隙的影响。为了对比溴蒸汽掺杂对石墨烯带隙的影响,使用633nm He-Ne光分别测量了石墨烯掺杂前和掺杂后的拉曼光谱,根据拉曼光谱计算了石墨烯费米能级移动与掺杂溴蒸汽之间的关系。实验结果表明:溴蒸汽掺杂对石墨烯拉曼光谱G带产生影响;随着掺杂溴蒸汽体积的增加,拉曼光谱G带向高频移动并逐渐趋于稳定;G带和2D带强度比也迅速增加,并最终趋于稳定。费米能级的移动与G峰位置成线性关系,利用G峰峰值位置与费米能级实验关系式计算了溴掺杂后石墨烯的费米能级,分析了化学掺杂对石墨烯带隙的影响。     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数,调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质,给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体,带隙值为0.494eV;Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体,带隙值增加为0.996eV;增加H吸附石墨烯纳米带后,半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.299eV,带隙值相对减小,更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后,石墨烯纳米带中电荷密度发生转移,导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后,在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献;增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,杂化效应使费米能级分裂出一条能带;再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,O-2p在费米能级附近贡献非常强,费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后,明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

Sc与C共掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明:与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定.掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围.其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段.     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的能带结构、总态密度以及分态密度. 研究结果显示：Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 eV,0.263eV,0.691eV,1.251eV, 说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

Ti掺杂W_(18)O_(49)纳米线的电子结构与NO_2敏感性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,通过理论建模,研究了Ti掺杂的非化学计量比W18O49纳米线的几何与能带结构以及电子态密度,并通过进一步计算NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系的吸附能、电荷差分密度与电荷布居,分析了Ti掺杂W18O49纳米线的气体吸附与敏感性能.计算发现,Ti掺杂改变了W18O49纳米线的表面电子结构,引入的额外的杂质态密度和费米能级附近能带结构的显著变化,使掺杂纳米线带隙与费米能级位置改变,纳米线导电性能增强.吸附在W18O49纳米线表面的NO2作为电子受体从纳米线导带夺取电子,导致纳米线电导降低,产生气体敏感响应.与纯相W18O49纳米线相比,NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系内部存在更多的电子转移,从理论上定量地反映了Ti掺杂对改善W18O49纳米线气敏灵敏度的有效性.对Ti掺杂纳米线不同气体吸附体系电子布居的进一步计算表明,Ti掺杂纳米线对NO2气体具有良好的灵敏度和选择性.     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO_4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO_4的能带结构、总态密度以及分态密度.研究结果显示:Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO_4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO_4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 e V,0.263 e V,0.691 e V,1.251 e V,说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO_4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

N-S共掺杂金红石相TiO2电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明:N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约0.85 eV,杂质能级主要由N原子的2p轨道和S原子的3p轨道组成.N和S掺杂后不但使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,光催化活性增强.     

I掺杂金红石TiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;(110)面的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了I掺杂金红石TiO₂（110）表面的形成能和电子结构,分析了不同掺杂位置的结构对TiO₂光催化性能的影响. 计算表明,氧化环境下I最容易替代掺杂表面五配位的Ti,而还原环境下最容易替代掺杂表面的桥位氧. I替位Ti或I替位O都能降低禁带宽度,可能使TiO₂吸收带出现红移现象或产生在可见光区的吸收,其中I替位桥位氧的禁带宽度最小. 吸收光谱表明,I掺杂不仅能提高TiO₂可见光响应,同时可增加紫外光的吸收能量,提高其可见光及紫外光下的光催化性能. 关键词： 第一性原理 I掺杂 2(110)')" href="#">金红石相TiO₂(110) 光催化     

双氮协同钴掺杂锐钛矿相二氧化钛电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了双氮原子协同钴原子共掺杂TiO2的几何结构和电子结构. 计算结果发现: 双氮原子掺杂引起的双空穴位与钴原子形成了较强的耦合作用, 并引起晶格结构发生明显变化. 共掺杂的协同效应引起TiO2禁带宽度变窄,在价带顶和导带底出现大量杂质能级, 从而引起吸收带边发生明显红移. 该掺杂方式对调制TiO2禁带宽度有明显的效果, 有望指导后续的实验合成.     

Band-structure modulation of SrTiO3 by hydrogenation for enhanced photoactivity

A systematic study on the band-structure modulation of SrTiO₃ (STO) by hydrogenation has been done by means of ultraviolet-visible (UV-vis) absorption, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron paramagnetic resonance (EPR) and photoluminescence (PL). Hydrogenation of STO was performed by annealing STO in the forming gas of H₂:N₂ (5 %:95 %) at elevated temperatures (mostly at 1000 °C). It is found that electron transfer to the defect states within the band gap of STO due to hydrogenation brings to STO visible absorption, decrease in intrinsic PL intensity, Fermi level shift, elimination of the EPR signals, and finally, an enhancement of photocatalytic ability.     

Electronic and optical properties of pure and Mo doped anatase TiO2 using GGA and GGA+U calculations

Comparative GGA and GGA+U calculations for pure and Mo doped anatase TiO₂ are performed based on first principle theory, whose results show that GGA+U calculation provide more reliable results as compared to the experimental findings. The direct band gap nature of the anatase TiO₂ is confirmed, both by using GGA and GGA+U calculations. Mo doping in anatase TiO₂ narrows the band gap of TiO₂ by introducing Mo 4d states below the conduction band minimum. Significant reduction of the band gap of anatase TiO₂ is found with increasing Mo doping concentration due to the introduction of widely distributed Mo 4d states below the conduction band minimum. The increase in the width of the conduction band with increasing doping concentration shows enhancement in the conductivity which may be helpful in increasing electron–hole pairs separation and consequently decreases the carrier recombination. The Mo doped anatase TiO₂ exhibits the n-type characteristic due to the shifting of Fermi level from the top of the valence band to the bottom of the conduction band. Furthermore, a shift in the absorption edge towards visible light region is apparent from the absorption spectrum which will enhance its photocatalytic activity. All the doped models have depicted visible light absorption and the absorption peaks shift towards higher energies in the visible region with increasing doping concentration. Our results describe the way to tailor the band gap of anatase TiO₂ by changing Mo doping concentration. The Mo doped anatase TiO₂ will be a very useful photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic activity.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

石墨烯/BiOI纳米复合物电子结构和光学性质的第一性原理模拟计算

光催化材料在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有广泛的应用前景,本文通过构建BiOI纳米薄膜并将其与石墨烯复合起来,得到具有较高的比表面积和良好的光催化活性的纳米复合物光催化材料.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分别计算了单层和双层BiOI纳米片及其与石墨烯复合结构的电子结构和光学性质,并考虑了BiOI中的Bi,O,I三种空位缺陷对电子结构和光学特性的影响.计算结果表明,由于BiOI和石墨烯之间的相互作用,在石墨烯和BiOI界面处自发发生电荷转移,形成电子-空穴对,且石墨烯衬底可有效提高BiOI对可见光的光吸收,提高其光催化活性.对空位缺陷的计算表明,Bi空位缺陷可促进石墨烯和BiOI之间的电荷转移,形成更多的层间电子-空穴对;相反,O和I空位缺陷则抑制层间电荷转移,减少电子-空穴对的生成.     

Cr和C共掺TiO_2的电子结构和光学性质的研究

利用第一性原理计算,研究了Cr与C共掺锐钛矿型TiO_2的能带的结构,态密度和光学性质.我们构建了两种不等价的Cr与C紧邻共掺体系:CrC_1-TiO_2和CrC_2-TiO_2.CrC_1-TiO_2体系在价带上方出现了主要由C-2p轨道和Cr-3d轨道耦合成的子带.同时,由于姜-泰勒变形效应,Cr-3d轨道的t_(2g)轨道进一步分裂的成Cr-3d_(yz)轨道在导带底形成附加带,有效带隙较纯TiO_2相比变窄了0.84eV.CrC_2-TiO_2体系带隙中有深带隙态存在,由于深间隙态的存在,价带顶到深带隙的能量宽度为0.84eV,电子从价带顶转移到导带底的所需要的能量将大大减小.最后,我们对纯TiO_2和Cr与C紧邻共掺TiO_2的光学特性进行了计算.结果显示Cr与C共掺TiO_2的光学吸收谱都有很好的可见光区域分布,大大提高了太阳光的利用率.