锐钛矿型TiO2(101)面原子几何及弛豫结构的第一性原理计算

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO2(101)面的表面能和表面原子弛豫结构.首先对TiO2(101)面的6种不同的表面原子终止结构的体系总能量进行了计算,结果表明终止原子为两配位的O原子、次层为五配位的Ti原子的表面结构最为稳定.针对该表面研究了表面能和原子弛豫与模型中原子层数和真空厚度的关系,当原子层数为12层,真空厚度为0.4 nm时,表面能收敛度小于0.01 J/m2.研究发现:表面上两配位的O原子向里移动约0.0012 nm,五配位的Ti原子向里移动约0.0155 nm,弛豫后的Ti-O键长发生了较大变化,核外电荷发生了转移,结构趋于稳定.     

立方相Ag_3PO_4(111)面原子几何及弛豫结构的第一性原理计算

采用平面波超软赝势方法研究了立方相Ag_3PO_4(111)面的表面能和表面原子弛豫结构.首先对Ag_3PO_4(111)面的八种不同原子终止结构的体系总能量进行计算,结果表明B种表面模型被证实为最稳定的(111)面原子几何结构.针对该表面结构,探讨了表面能和原子弛豫与模型中原子层数和真空厚度的关系,当原子层数为24层,真空厚度为0.6 nm时,表面能收敛于1.41 J/m2(LDA-CAPZ)和1.39 J/m2(GGA-PBE).表面原子弛豫后,表面两个三配位的Ag原子均向里移动,超过0.06 nm,而表面次层的O原子则均向外移动约0.0042 nm,导致弛豫后暴露在最表面的是O原子,同时表面原子的核外电子向表面内部发生转移,结构趋于稳定.这些结果为进一步深入研究Ag_3PO_4表面的光催化活性起源提供理论支持.     

立方相Ag3PO4(111)面原子几何及弛豫结构的第一性原理计算

采用平面波超软赝势方法研究了立方相Ag3PO4(111)面的表面能和表面原子弛豫结构.首先对Ag3PO4(111)面的八种不同原子终止结构的体系总能量进行计算,结果表明B种表面模型被证实为最稳定的(111)面原子几何结构.针对该表面结构,探讨了表面能和原子弛豫与模型中原子层数和真空厚度的关系,当原子层数为24层,真空厚度为0.6 nm时,表面能收敛于1.41 J/m2(LDA-CAPZ)和1.39 J/m2(GGA-PBE).表面原子弛豫后,表面两个三配位的Ag原子均向里移动,超过0.06 nm,而表面次层的O原子则均向外移动约0.0042 nm,导致弛豫后暴露在最表面的是O原子,同时表面原子的核外电子向表面内部发生转移,结构趋于稳定.这些结果为进一步深入研究Ag3PO4表面的光催化活性起源提供理论支持.     

α-Al2O3(0001)基片表面结构与能量研究

对α-Al₂O₃(0001)晶体表层三种不同终止原子结构的计算模型， 在三维周期边界条件下 的κ空间中，采用超软赝势平面波函数描述多电子体系.应用基于密度泛函理论的局域密度 近似，计算了不同表层结构的体系能量，表明最表层终止原子为单层Al的表面结构最稳定. 对由10个原子组成的菱形原胞进行了结构优化，得到晶胞参数值(a₀＝0.48178n m)与实验 报道值误差小于1.3%.进一步计算了超晶胞(2×2)表面弛豫，弛豫后原第2层O原子层成为最 表层； 对不同表层O，Al原子最外层电子进行了布居分析，表面电子有更大的概率被定域在 O原子的周围，表面明显地表现出O原子的电子表面态. 关键词： 2O₃(0001)')" href="#">α-Al₂O₃(0001) 超软赝势 表面结构 表面态     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上，采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO₃(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫，且金属原子弛豫幅度最大，同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO₂表面稳定性比BaO表面弱，一方面是由于TiO₂表面结构中存在O-2p表面态，使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面，TO₂表面附近Ti—O共价键存在强弱差异，有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中，最表层BaO的存在消除了这种差异，因而其表面稳定性较强. 关键词： 第一性原理 钛酸钡 电子结构 表面能     

金红石型TiO2(110)表面性质及STM形貌模拟

采用密度泛函理论从头计算了金红石型TiO₂(110)表面的相关性质，切片模型含有9层原子，采用化学整比表面结构，晶胞真空层厚度为1.5nm，原子价电子采用超软赝势表达.差分电子密度分布图发现原子附近区域电子密度分布以球对称为主，电子定域形成离子键的趋势较强，但在Ti和O原子之间存在较弱的共价键.模拟了金红石型TiO₂(110)表面结构的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，简称STM)图像，利用Tersoff-Hamann的成像理论，在+2V的正向偏压下，采用一系列变化的数值作为STM探针离表面桥式氧的距离，分析了相关态密度的变化，发现(110)表面的STM形貌凸起部分来自于5—Ti原子，而不是2—O原子(桥式氧)，在TiO₂(110)表面结构成像中，电子效应起主导作用，证实了STM实验观察到的亮行是Ti原子的结果. 关键词： 功能材料 密态泛函理论 表面结构 STM像     

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     

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     

Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，计算了Nb掺杂对TiO₂/NiTi界面电子结构的影响.体系生成能的计算结果表明，4种TiO₂/NiTi界面结构中，NiTi中Ti原子和TiO₂中O原子相邻的界面，即Ti/O界面的生成能最大，结构最稳定.在Ti/O界面结构优化的基础上，态密度、电荷分布以及集居数的计算结果均表明：Nb原子取代界面上的Ti原子后，界面原子之间的结合力增强，且界面附近的基体和氧化层中原子之间的相互作用也增加，有利 关键词： NiTi金属间化合物 2/NiTi界面')" href="#">TiO₂/NiTi界面 电子结构 第一性原理计算     

锐钛矿型TiO2(101)面本征点缺陷的理论研究

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO₂(101)面存在本征空位和间隙点缺陷的几何结构以及缺陷形成能.首先分析了点缺陷对表面结构的影响，发现不同类型缺陷导致缺陷周围原子有不同的位移趋势：O空位的产生导致空位周围的Ti原子向空位外移动，Ti₁和Ti₂空位的产生均使O₁自发地与周围的O原子团聚，O_i原子易被周围的氧原子吸附而成键，而Ti_i2缺陷几乎 关键词： 第一性原理 2')" href="#">TiO₂ 点缺陷 表面结构     

Theoretical study of the permeation of water through TiO2 nanotubes using molecular dynamics simulation

In this study, the theoretical structures of armchair (6, 6) and zigzag (12, 0) TiO₂ nanotubes (TiNTs) were constructed by rolling the (101) layer of an anatase TiO₂ crystal. The (101) layer was made using Materials Studio (MS) by cutting the cleave plane (101) of the anatase TiO₂ crystal. Based on these structures, the basic properties of TiO₂ nanotubes were investigated using MS. Molecular dynamics simulations were performed using the software NAMD to investigate the status and permeation of water through the TiO₂ nanotubes. Structure analysis shows that both the inner and outer walls of the structures were terminated with oxygen atoms. The thicknesses of single tube walls are smaller than that of a perfect triple layer (2.20?Å) in bulk anatase TiO₂. With regard to the bulk Ti–O bond length, the Ti–O bonds in the outer layer are elongated, and are shortened in the inner layer. Molecular dynamics simulation shows that the water molecules in the nanotubes move back and forth, as in one-dimensional Brownian motion. Moreover, the penetration properties of TiNTs are associated with their radii, with the TiNT with larger radii having better penetration properties. Thus, when used in drug delivery or filtration systems, armchair TiNT has a better effect than zigzag TiNT.     

Ab initio study of rumpled relaxation and core-level shift of barium titanate surface

The rumpled relaxation and the core-level shift of full-relaxed BaTiO₃ (0 0 1) surface have been investigated by first-principles calculation. Based on the work function and the electric-field gradient, the right size of vacuum and the slab have been evaluated. The large displacements of ions deviated from their crystalline sites to lead to the formation of the surface rumples have been found. Some fully occupied surface oxygen p states at the top M point of the valance band and the empty surface titanium d states at the edge of the bulk conduction band are observed on the TiO₂-terminated surface. In contrast, on the BaO-terminated surface, two different core levels of the Ba 5p states shifted about 1.29 eV are induced by the bulk perovskite Ba atoms and the relaxation of surface Ba atoms, respectively. Our calculations are consistent with the experimental data.     

小型二氧化钛团簇(TiO2)n (n=2-8)的低能异构体研究

钛和氧之间存在多种成键方式,但迄今为止,二氧化钛团簇均只有少数几种异构体被报道. 与广泛使用的全局优化方法不同,本工作通过优化大量的随机初始结构,获得(TiO₂)_n (n=2-8)团簇稳定异构体. 首先利用PM6半经验方法对高达一万个以上的初始结构进行初步的优化筛选,并对筛选出的结构进行进一步的DFT计算以获得二氧化钛团簇的稳定异构体. 利用这种策略,发现了大量未经报道的稳定异构体,并提出了(TiO₂)₅和(TiO₂)₈新的最稳定异构体. 这些结构中包括含3个末端氧原子的异构体、含5配位氧原子和6配位钛原子的异构体等未经报道的新结构类型. 与丰富成键特征相对应,发现异构体数目随团簇尺寸的增大而急剧增加,对于(TiO₂)₇和(TiO₂)₈,能量在30 kcal/mol以内的异构体都在50个以上. 该工作发现了大量的二氧化钛小型团簇异构体,并凸显了其多样的结构特征,增进了对二氧化钛纳米团簇的结构、成键的理解,并为进一步的理论模拟、力场优化等提供了理论基础.     

Geometric structure of TiO2(011)(2 x 1)

Surface x-ray diffraction has been employed to elucidate the surface structure of the (011)-(2 x 1) termination of rutile TiO2. The data are inconsistent with previously proposed structures. Instead, an entirely unanticipated geometry emerges from the structure determination, which is terminated by zigzag rows of twofold coordinated oxygen atoms asymmetrically bonded to fivefold titanium atoms. The energetic stability of this structure is demonstrated by ab initio total energy calculations.     

有序TiO2纳米管阵列结构的可控生长及其物相研究

分别在HF水溶液、含NH₄F和H₂O的乙二醇有机溶液中对Ti箔进行阳极氧化，得到TiO₂纳米管阵列结构.该结构高度有序、分布均匀、垂直取向，且通过阳极氧化工艺条件(如阳极氧化电压、电解液的选择与配比以及氧化时间等)可实现对其结构参数(如管径、管壁厚度、管密度、管长等)的有效控制.利用XRD研究了TiO₂纳米管阵列的物相结构.结果表明：退火前的TiO₂纳米管阵列为无定形结构；分别在真空和氧气氛中50 关键词： 2纳米管阵列')" href="#">TiO₂纳米管阵列 阳极氧化 可控生长     

Deposition of graded TiO2 films featured both hydrophobic and photo-induced hydrophilic properties

Graded TiO₂ films were deposited on unheated glass substrates by using a twin dc magnetron sputtering system. The graded TiO₂ films showed a highly polycrystalline structure of anatase with a little rutile phases revealed by X-ray diffraction spectra. The surface energy of the fresh and UV irradiated films were evaluated by water contact angle measurement. The results indicated that the water contact angle of the fresh graded TiO₂ films was found within 100-112°. The films then became a highly hydrophilic surface with the water contact angle of almost zero under 60 min UV irradiation. The XPS spectrum of Ti 2p revealed that the graded TiO₂ films became a stoichiometric titanium oxide layer near the surface, proving that titanium was fully oxidized. It was found that the surface OH group density depended on the substrates employed for given sputtering conditions. In addition, AFM images revealed a considerably rough surface of the graded films with RMS roughness of 12.6-14.5 nm. One can conclude that the unique properties of highly hydrophobicity and photo-induced hydrophilicity can be attributed to fully oxidized chemical composition and higher roughness on the film surface.     

TiO2-rich reconstructions of SrTiO3(0 0 1): a theoretical study of structural patterns

We have recently reported structure solutions for the (2 × 1) and c(4 × 2) reconstructions of SrTiO₃(0 0 1) based on high-resolution electron microscopy, direct methods analysis of diffraction data and density functional theory. Both reconstructions were found to be TiO₂-rich and feature a single overlayer of TiO₂ stoichiometry on top of a bulk-like TiO₂ layer. Qualitatively, the two reconstruction geometries differ in the cation sub-lattice of the overlayer only, where Ti atoms occupy half of the fivefold cation sites. In the present work we use density functional theory to generate a number of variations of this structural motif in search of patterns of stability. We find a reliable predictor for the reconstruction energy in the ability of oxygen atoms to relax vertically out of the overlayer plane to minimize non-bonded oxygen-oxygen repulsions. Out-of-plane relaxation of oxygen atoms in turn is modulated by the number and relative position of coordinating Ti atoms, which yields simple empirical rules as to how cations are distributed in low energy reconstructions.