(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

基于第一性原理计算Ca掺杂MoS_2对焊接气体的吸附性能

工业焊接的过程中会产生焊接废气例如CO、NO₂和CH₄,这些气体会对工作人员的身心健康造成威胁,为解决这种废气吸附的需求,此文用基于密度泛函理论的第一性原理方法,搭建了Ca掺杂MoS₂的模型,用Dmol3模块研究掺杂后的电子结构,并计算了Ca-MoS₂吸附CO、CH₄和NO₂三种气体的态密度、电荷转移、吸附能、电子密度差等参数.结果表明Ca-MoS₂对于CH₄是一种物理吸附,主要是范德华力作用,而Ca-MoS₂吸附CO和NO₂是一种化学吸附,存在较强的吸附能力.此类掺杂有望制成新的气敏传感器等有益结果,该工作具有一定意义.     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论研究了N/Fe共掺杂对锐钛矿TiO₂(101)面的修饰作用. 计算了铁替位单掺杂TiO₂(101)面及晶体内部后, 晶体结构变化及形成能. 通过形成能的比较发现, Fe从晶体表面向体内迁移时受到势垒阻碍作用. 同时, 对不同位置表面N/Fe近邻共掺杂晶体形成能的比较, 得出了表面共掺杂的最稳定结构. 通过对电子结构及态密度的分析发现: 表面共掺杂态中, N/Fe共掺杂可改变TiO₂(101)面的电子结构, 并使TiO₂由半导体性向半金属性转变. 关键词： 2(101)面')" href="#">锐钛矿TiO₂(101)面 N/Fe共掺杂 第一性原理 半金属性     

Ti掺杂W$lt;sub$gt;18$lt;/sub$gt;O$lt;sub$gt;49$lt;/sub$gt;纳米线的电子结构与NO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;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. 关键词： 密度泛函计算 Ti掺杂 18O₄₉纳米线')" href="#">W₁₈O₄₉纳米线 气敏     

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2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法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

H2O在SrTiO3-(001)TiO2表面上吸附和解离的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论研究了0.25单层（ML）,0.5ML,0.75ML和1ML吸附率下H₂O在SrTiO₃-（001）TiO₂表面上的吸附行为.比较了不同吸附率下分子吸附和解离吸附的稳定性,利用微动弹性带（nudged elastic band）方法计算了H₂O的解离势垒.结果表明：在低吸附率（0.25ML和0.5ML）时,H₂O表现为解离吸附;在0.75ML吸附率下,分子吸附和解离吸附同时存在;而在全吸附（吸附率为1ML）时,分子吸附更稳定.基于对H₂O分子与表面之间以及H₂O分子之间的电荷转移和相互作用的分析,讨论了吸附率对H₂O吸附和解离的影响. 关键词： 2O')" href="#">H₂O 吸附 3-（001）TiO₂表面')" href="#">SrTiO₃-（001）TiO₂表面 密度泛函理论     

锐钛矿型氧化物XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）表面氧化性对NH3气体光学气敏传感特性的影响

摘要 金属氧化物气敏传感材料一直是当今的热门研究课题,锐钛矿相金属氧化物XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）是具有传感特性的常见材料。光学气敏效应是指气体分子吸附在气敏传感材料上,与表面氧空位发生氧化还原反应,由于光学性质发生改变而检测出气体的成分和浓度,因此,氧化还原反应的强弱是反应传感性能的核心原因。本文采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了含氧空位的锐钛矿相XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）表面特性。通过以NH3为目标分子,研究分子表面吸附引起的氧化还原反应的机理,分析不相同的氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等。研究发现：目标分子稳定吸附在氧化物表面后改变材料光学性质。SnO2表面对分子的吸附能最大,IrO2表面与分子的吸附距离最小。NH3分子与表面间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:IrO2＞TiO2＞ZrO2＞SnO2,氧化物表面氧化性的大小为:IrO2氧空位＞TiO2氧空位＞ZrO2氧空位＞SnO2氧空位;比较吸收谱和反射谱发生变化最为明显的是TiO2表面。结论,在可见光范围内,波长在400~530nm时,SnO2表面光学气敏传感效应更好。而在530~760nm范围TiO2表面光学气敏传感效应更好。     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)，采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加，从0 e V变为0.368 e V，由金属性转变为半导体特性，而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V，说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质，结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体，石墨烯介电吸收峰值有所增大，介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光，V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强，能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

新型NO2化学传感器:碳化硅纳米管

气体吸附对碳化硅纳米管的电子结构的影响是理解碳化硅纳米管气敏传感器工作机理的基础.基于密度泛函理论,利用CASTEP软件包计算NO₂气体吸附前后的碳化硅纳米管的结构及其电子结构.结果表明,NO₂气体与碳化硅纳米管间形成了稳定的吸附,并明显的增强了碳化硅纳米管的导电特性.碳化硅纳米管是制备气体传感器的理想材料之一,为开发应用于NO₂气体检测的碳化硅纳米管提供必要的理论支持.     

Cu-Ag协同表面改性TiO_2的第一性原理研究

因在温室气体的降解中扮演重要的角色,通过改性来提高二氧化钛的光催化性能的相关研究备受关注.由于催化反应主要发生在材料表面,因此对材料表面的改性研究尤为重要.本文采用第一性原理方法计算了金属Ag,Cu单掺杂及协同掺杂TiO_2(001)和(101)表面不同位置,通过形成能的比较获得了最稳定的晶体结构.通过对能带及态密度的对比得出:离子掺杂(001)表面所形成的活性基团的氧化性较(101)面更强,利于光催化氧化性能的提升;表面协同掺杂较单掺杂具有更强的光响应效率,与前人的实验结果符合较好.     

Cu掺杂SnO_2/TiO_2复合薄膜的制备及性能研究

制备Cu掺杂的纳米Sn O2/Ti O2溶胶,采用旋涂法在载玻片上镀膜,经干燥、煅烧制得Cu掺杂的Sn O2/Ti O2薄膜,通过对比实验探讨掺杂比例、条件、复合形式等对结构和性能的影响。采用XRD、SEM、EDS、UVVis等测试手段对样品进行表征,并以甲基橙为探针考察了其光催化降解性能。XRD测试结果显示薄膜的晶型为锐钛矿型,结晶度较高。SEM谱图显示薄膜表面无明显开裂,粒子分布均匀,粒径约为20 nm。EDS测试结果表明薄膜材料中含有Cu元素,谱形一致。UV-Vis吸收光谱表明Cu掺杂以及Sn O2/Ti O2的复合使得在近紫外区的光吸收比纯Ti O2明显增强。光催化实验表明Cu掺杂后使得Sn O2/Ti O2复合薄膜对甲基橙的光催化降解效率进一步提高,Sn O2/Ti O2复合薄膜的光催化活性在10%Cu掺杂时达到最高。     

Cu/N表面沉积共掺杂TiO_2光催化剂作用机理的理论研究

本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2(001)面的修饰作用.计算了Cu在不同位置掺杂TiO2(101)面和(001)面的形成能,并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2(001)面及Cu/TiO2(001)面的形成能,通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构.在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度,并与S单掺杂TiO2(001)面最稳定结构进行了对比.通过对结果的分析发现:Cu/N在(001)表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2的禁带宽度,并在表面形成CuO2相,更利于提高其光催化活性.     

硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料的制备与气敏性能研究

采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列, 并以此作为基底, 通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理, 制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料. 采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特性, 结果表明该结构增大了材料的比表面积, 有利于气体传感, 并且镀膜时间对后续生长的氧化钒纳米棒形貌有明显影响. 采用静态配气法在室温下测试了该复合材料对NO₂的气敏性能, 气敏测试结果表明沉积钒膜的时间对复合材料的气敏性能影响较大. 当选择合适的镀膜时间时, 适量氧化钒纳米棒增加了材料表面积并形成大量pn结结构, 相比纯硅纳米线对NO₂气体的灵敏度有明显提升, 且在室温下表现出优良的选择性. 同时, 对气敏机理做了定性解释, 认为硅纳米线与氧化钒纳米棒之间形成的pn结及能带结构在接触NO₂ 时的动态变化是其气敏响应提升的主要机制.     

Influence of silver doping on the photocatalytic activity of titania films

By means of X-ray diffraction, BET nitrogen adsorption, UV-Vis-NIR transmission spectroscopy, transmission electron microscope, scanning electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy and photodegradation of methylene blue, effects of Ag doping on the microstructure and photocatalytic activity of TiO₂ films prepared by sol–gel method were studied. It is found that with a suitable amount (2–4 mol%), the Ag dopant increases the photocatalytic activity of TiO₂ films. The mechanism can be attributed to that (1) anatase grain sizes decrease with Ag doping and the specific surface areas of doped TiO₂ films increase, the charge transfer in TiO₂ films is promoted; (2) by enhancing the electron–hole pairs separation and inhibiting their recombination, the Ag dopant enhances the charge pair separation efficiency for doped TiO₂ films.     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

A theoretical analysis of the TiO2/Sn doped (1 1 0) surface properties

We have used the periodic quantum-mechanical method with density functional theory at the B3LYP level in order to study TiO₂/Sn doped (1 1 0) surfaces and have investigated the structural, electronic and energy band properties of these oxides. Our calculated relaxation directions for TiO₂ is the experimental one and is also in agreement with other theoretical results. We also observe for the doped systems relaxation of lattice positions of the atoms. Modification of Sn, O and Ti charges depend on the planes and positions of the substituted atoms. Doping can modify the Fermi levels, energy gaps as well as the localization and composition of both valence and conduction band main components. Doping can also modify the chemical, electronic and optical properties of these oxides surfaces increasing their suitability for use as gas sensors and optoelectronic devices.