镧系元素掺杂TiO_2的电子和光学特性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理局部密度近似法,结合Hubbard U校正(LDA+U),研究了镧系元素掺杂的锐钛矿型TiO_2的取代能、热力学电荷跃迁能级和光学性质.除La之外的所有镧系元素,在掺杂时向主带隙中引入杂质态.所得取代能表明了镧系元素掺杂TiO_2的可行性.同时预测了最佳掺杂比例约为3%,由Ce、Nd、Sm、Gd或Tm掺杂引入的掺杂能级具有负U特性.另外,所得热力学跃迁能级预测了Lu在主带隙内不发生电荷跃迁.算出的光吸收系数表明镧系元素掺杂可使TiO_2具有可见光吸收性能.     

镧系元素掺杂TiO_2的电子和光学特性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理局部密度近似法,结合Hubbard U校正(LDA+U),研究了镧系元素掺杂的锐钛矿型TiO_2的取代能、热力学电荷跃迁能级和光学性质.除La之外的所有镧系元素,在掺杂时向主带隙中引入杂质态.所得取代能表明了镧系元素掺杂TiO_2的可行性.同时预测了最佳掺杂比例约为3%,由Ce、Nd、Sm、Gd或Tm掺杂引入的掺杂能级具有负U特性.另外,所得热力学跃迁能级预测了Lu在主带隙内不发生电荷跃迁.算出的光吸收系数表明镧系元素掺杂可使TiO_2具有可见光吸收性能.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

K-2N双受主共掺杂P型ZnO的第一性原理研究

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和K,K-2N掺杂ZnO体系的晶体结构、能带、电子态密度与光学性质.研究表明:K掺杂ZnO体系,带隙变宽,在费米能级附近引入了较浅的受主能级,费米能级进入到价带中.而K-2N共掺杂体系中,带隙变窄,形成了浅受主能级,这个对改善ZnO的p...     

M-(Sm,Pr, Ga)掺杂TiO_2带隙及电子结构的第一原理研究（英文）

采用密度泛函理论对M-(Sm、Pr、Ga)掺杂锐钛矿型TiO_2能带和电子性质进行了系统的理论研究.计算结果表明,通过Sm和Pr的掺杂可以降低TiO_2的带隙进而使其产生吸收边红移,通过Ga的掺杂能使带隙稍增加.这主要是由于Sm和Pr的掺杂使Sm和Pr上的4f层电子与原子相邻O原子上的2p层电子相互作用,形成的杂质能级影响了Ti-O的能带结构,从而降低带隙,提高TiO_2的可见光吸收性能.     

M-(Sm,Pr,Ga)掺杂TiO_2带隙及电子结构的第一原理研究（英文）

采用密度泛函理论对M-(Sm、Pr、Ga)掺杂锐钛矿型TiO_2能带和电子性质进行了系统的理论研究.计算结果表明,通过Sm和Pr的掺杂可以降低TiO_2的带隙进而使其产生吸收边红移,通过Ga的掺杂能使带隙稍增加.这主要是由于Sm和Pr的掺杂使Sm和Pr上的4f层电子与原子相邻O原子上的2p层电子相互作用,形成的杂质能级影响了Ti-O的能带结构,从而降低带隙,提高TiO_2的可见光吸收性能.     

M-(Sm,Pr,Ga)掺杂TiO_2带隙及电子结构的第一原理研究（英文）

采用密度泛函理论对M-(Sm、Pr、Ga)掺杂锐钛矿型TiO_2能带和电子性质进行了系统的理论研究.计算结果表明,通过Sm和Pr的掺杂可以降低TiO_2的带隙进而使其产生吸收边红移,通过Ga的掺杂能使带隙稍增加.这主要是由于Sm和Pr的掺杂使Sm和Pr上的4f层电子与原子相邻O原子上的2p层电子相互作用,形成的杂质能级影响了Ti-O的能带结构,从而降低带隙,提高TiO_2的可见光吸收性能.     

Co-Cr共掺杂金红石型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,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

稀土元素(Ce,Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素Ce,Pr掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质,使用LSDA +U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态,并分析比较计算结果.计算表明:掺入Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大,带隙变窄,并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级,该能级主要由Ce和Pr的4f电子提供;掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩;最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化,掺Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值,该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.     

第一性原理研究掺杂及未掺杂(TiO_2)_3团簇的电子性质（英文）

为了研究金属掺杂团簇时带隙的变化趋势,本文用Cr,Mo,V,Nb四种元素掺杂(TiO_2)_3团簇,并用密度泛函理论下的广义梯度近似(GGA)方法计算.不同掺杂位置的结果表明最好的掺杂位置是3-配位的钛位置.所有掺杂后(TiO_2)_3团簇的HOMO-LUMO带隙都要比未掺杂时要小,对应高能区态密度峰值左移0.1 e V;HOMO的电子云分布主要占据了氧原子的位置,当掺杂团簇被激发时,电子从末端氧原子位置跃迁到掺杂原子.此外,我们进一步的计算表明Cr和Mo是降低(TiO_2)_3团簇带隙较好的掺杂元素.为了进一步的研究掺杂(TiO_2)_3团簇的性质以及它在光催化,清洁能源等方面的应用,还需要我们进行实验和理论相结合的研究.     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO_2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响.结果表明,掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO_2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO_2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的红移程度增强.     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响. 结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的红移程度增强.     

Anatase-rutile phase transformation of titanium dioxide bulk material: a DFT?+?U approach

The anatase-rutile phase transformation of TiO(2) bulk material is investigated using a density functional theory (DFT) approach in this study. According to the calculations employing the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) exchange-correlation functional with the Vanderbilt ultrasoft pseudopotential, it is suggested that the anatase phase is more energetically stable than rutile, which is in variance with the experimental observations. Consequently, the DFT?+?U method is employed in order to predict the correct structural stability in titania from electronic-structure-based total energy calculations. The Hubbard U term is determined by examining the band structure of rutile with various values of U from 3 to 10?eV. At U?=?5?eV, a theoretical bandgap for rutile is obtained as 3.12?eV, which is in very good agreement with the reported experimental bandgap. Hence, we choose the DFT?+?U method (with U?=?5?eV) to investigate the transformation pathway using the newly-developed solid-state nudged elastic band (ss-NEB) method, and consequently obtain an intermediate transition structure that is 9.794?eV per four-TiO(2) above the anatase phase. When the Ti-O bonds in the transition state are examined using charge density analysis, seven Ti-O bonds (out of 24 bonds in the anatase unit cell) are broken, and this result is in excellent agreement with a previous experimental study (Penn and Banfield 1999 Am. Miner. 84 871-6).     

La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2的缺陷形成能和电子结构分析

采用基于密度泛函的第一性原理研究了稀土元素La、Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂的缺陷形成能,缺陷电荷转变能级以及电子结构.研究发现,富氧状态下La、Ce掺杂以及La-Ce共掺的缺陷形成能均为负值,而贫氧状态下La、Ce掺杂形成能为正,表明La、Ce的掺杂TiO₂只能在氧气氛制备条件下进行;替代Ti掺杂缺陷电荷转变能级计算结果表明:0/1-的缺陷电荷转变能级分别位于VBM上面0.522 eV及2.440 eV处;与纯锐钛矿相TiO₂相比,La、Ce单掺杂以及La-Ce共掺杂均能减小TiO₂的禁带宽度,但共掺杂体系的禁带宽度更窄,因此共掺杂体系将更有利于提高TiO₂对可见光的响应能力和光催化性能.     

贵金属掺杂锐钛矿TiO2光催化性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对纯锐钛矿TiO2及贵金属（Ru、Pd、Pt、Ag和Au）掺杂锐钛矿TiO2的晶格结构、能带结构、电子态密度及光学性质进行了计算。结果表明：贵金属掺杂后TiO2的晶格体积都出现了不同程度的增大;Pd和Pt掺杂后TiO2体系的禁带宽度减小,Ru、Ag和Au掺杂后体系表现出了一定的金属属性,五种贵金属掺杂TiO2后吸收光谱都有红移的趋势。掺杂形成能计算表明,除Ru金属外,富氧条件下掺杂更容易实现。     

GGA+U方法研究不同浓度Cr掺杂对TiO2的磁性和光学性质的影响

本文采用基于第一性原理的GGA+U方法,计算研究了本征态锐钛矿TiO2和不同浓度Cr掺杂锐钛矿TiO2(1/8、1/16、1/32)的电子结构、磁性及光学性质。计算结果表明：所有掺杂体系中Ti0.9375Cr0.0625O2的结合能最小,因此Ti0.9375Cr0.0625O2体系的稳定性要高于Ti0.875Cr0.125O2、Ti0.96875Cr0.03125O2体系;Cr元素的掺入导致掺杂后体系发生晶格畸变,这有利于光生空穴和电子对的分离,提高其光催化性能;同时,由于Cr-3d和O-2p电子相互作用,使得掺杂体系呈现出铁磁性质,并且随着掺杂浓度的增加会使体系具有更好的铁磁性质;掺杂体系与本征TiO2相比,掺杂后吸收带边均发生红移,光谱响应范围变大;并且随掺杂浓度的增加,光响应范围也在增大,从而有效增强了体系对于可见光的吸收能力。     

Electronic structure and the optical and photocatalytic properties of anatase doped with vanadium and carbon

The electronic structures of undoped anatase and anatase doped with carbon and vanadium have been calculated using the ab initio tight-binding linear muffin-tin orbital (TB-LMTO) method in the LSDA + U approximation. It has been shown that the doping of TiO₂ leads to the formation of narrow bands of the C and Vimpurity states in the band gap. The calculations of the imaginary part of the dielectric function have made it possible to estimate the intensity of the optical absorption. It has been established that the doping with vanadium and carbon leads to optical absorption in the visible range and to an increase in the absorption in the ultraviolet range up to 4 eV. This should result in an increase in the photocatalytic activity on the surface of the doped anatase. The experimental determination of the photocatalytic activity of whiskers of the anatase doped with carbon and vanadium in the reaction of hydroquinone oxidation has confirmed the increase in the activity of the doped materials under exposure to ultraviolet, visible, and blue light. The phenomenon of dark catalysis in the anatase doped with carbon and vanadium has been interpreted within the concept of low-energy electronic excitatio ns between the impurity levels of carbon.     

Pt-N共掺杂锐钛矿TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理中的平面波超软赝势(PWPP)方法对理想TiO_2,N单掺杂,Pt单掺杂和Pt-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析N单掺杂、Pt单掺杂及Pt-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带和态密度的影响.计算结果表明:掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀,Pt单掺杂、N单掺杂TiO_2禁带宽度变窄,Pt-N共掺杂TiO_2分别在价带顶和导带底产生杂质能级,且禁带宽度缩小范围大,表明Pt-N共掺杂能进一步提高锐钛矿TiO_2催化性能.     

La掺杂3C-SiC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计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛(TiO2)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TiO2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TiO2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Co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TiO2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TiO2在可见光波段的光催化性能.