W-S共掺杂锐钛矿TiO2第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了未掺杂,WS单掺杂及W-S共掺杂TiO2的电子结构和光学性质．结果表明：掺杂后晶格畸变,晶格常数变大并在TiO2禁带中引入杂质能级．对于S单掺杂TiO2,禁带宽度减小和杂质能级的引入导致吸收光谱红移,而对于W单掺杂和W-S共掺杂,禁带宽度的明显增大致使掺杂后TiO2的吸收光谱蓝移．     

Zr掺杂TiO_2薄膜的光学性能和光催化性能

为了研究TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响,利用电子束沉积方法在玻璃基底上制备了TiO2薄膜及Zr掺杂TiO2薄膜。采用拉曼光谱仪和分光光度计对膜的结构和吸收光谱进行了表征。研究结果表明:当退火温度为773K时,沉积得到的TiO2薄膜为锐钛矿结构薄膜;掺杂使TiO2禁带宽度变窄,吸收波长红移,在350~450nm附近光吸收系数增大,增强了TiO2的光催化活性。     

高氧空位浓度对锐钛矿TiO2莫特相变和光谱红移及电子寿命影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究,通过对锐钛矿TiO₂高氧空位浓度、态密度图及吸收光谱图的分析,发现锐钛矿TiO₂高氧空位浓度的条件下,高氧空位浓度对禁带变窄、吸收光谱红移和电子寿命都有很大的影响,从理论上进一步解释了高氧空位浓度对禁带变窄的原因.同时,锐钛矿半导体在高氧空位浓度时发生莫特相变和锐钛矿氧空位在等离子体中吸收光谱红移实验进行比较,发现锐钛矿TiO₂应适量控制高氧空位浓度对吸收光谱红移好于前者.适量控制高氧空位浓度的锐钛矿TiO 关键词： 锐钛矿 高氧空位浓度 吸收光谱红移 第一性原理     

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.     

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.     

N掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

为了研究N掺杂对锐钛矿型TiO2电子结构的影响,进而揭示N掺杂导致锐钛矿型TiO2的禁带宽度变小的机理,对N掺杂TiO2进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过对能带、态密度及电子分布密度图的分析,发现在N掺杂后,N原子与Ti原子在导带区,发生了强烈的相互关联作用,致使Ti原子3d轨道上的电子向N原子2p轨道发生移动,使得导带降低了,从而使得TiO2导带的禁带宽度变小.理论预测可以发生红移现象,与实验结果对比分析,理论与实验基本相符.     

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。     

Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO_2的带隙和吸收光谱影响的研究

目前,Pr掺杂对锐钛矿TiO2带隙和吸收光谱研究结果存在相反的结论,红移和蓝移两种实验结果都有文献报道.为解决这个矛盾,本文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,对纯的和不同浓度Pr高掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和吸收光谱进行了计算.计算结果表明,与纯锐钛矿TiO2相比较,Pr掺杂后,掺杂量越增加,掺杂体系各原子电荷量越减小,掺杂体系总能量越高,形成能越大,稳定性越下降,带隙越窄,吸收光谱红移现象越显著,吸收强度越强.计算结果与实验结果相一致.     

V+注入锐钛矿TiO2第一性原理研究

用金属离子注入方法在锐钛矿TiO2薄膜中掺杂了V+,采用全势线性缀加平面波方法计算了锐钛矿TiO2及V+掺杂TiO2超原胞的电子结构,通过紫外-可见吸收光谱测试方法检测了注入不同剂量的V+对TiO2薄膜吸收光谱的影响.理论计算和实验结果表明,锐钛矿TiO2薄膜注入V+后,带隙宽度变小,吸收光谱发生红移,并且TiO2的带隙宽度随着注入V+剂量的增加而减小.     

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.     

用于光催化领域的TiO_2与一维光量子阱复合结构的设计与优化

利用传输矩阵法设计并优化了用于光催化领域的TiO_2与一维光量子阱的复合结构,并分析了ZnS/SiO_2多层膜量子阱结构的透射特性.通过调节一系列的结构参数,在TiO_2光吸收波段(329.23 nm～482.71 nm)得到一个较宽的高反射率带隙,并且在吸收边附近(380 nm左右)得到了一个反射率高于93%的慢光子效应区.通过增加光线与TiO_2的作用时间和路径来提高光催化效率.     

TiO2光催化剂的光谱研究

采用sol-gel法制备了纳米TiO2光催化剂,运用FTIR,FT－Ranam,DSR等光谱技术对催化剂进行了表征,以光催化解油酸作为模型反应考察光催化活性。实验结果表明,催化剂的烧结温度对催化剂的晶相结构、半导体能带结构、光吸收性能及光催化活性均产生显著的影响,当烧结温度为400℃时,TiO2光催化剂具有最好的表观吸光度,最大的吸收带边,以及最佳的光催化活性。     

Al-N共掺杂金红石相TiO_2的第一性原理研究

本文采用了基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对金红石相TiO_2进行了计算,其中内容包括未掺杂与单掺杂Al、单掺杂N以及共掺杂Al-N这四种不同情况下TiO_2的能带结构与态密度和光吸收系数的研究.计算结果表明:单掺杂Al和N时,均不同程度地改变了其能带结构,光吸收能力均有提高但效果不佳.在共掺杂Al-N时,TiO_2晶格常数产生了改变,并出现了新的杂质能级.由于杂质能级存在于TiO_2禁带范围内,减小了电子跃迁至导带所需能量,从而提高了其光吸收能力,其效果相对于单掺杂来说更有明显提高.     

Si掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO2的电子蛄构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO2及Si掺杂TiO2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究蛄果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定...     

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.     

纳米TiO2的表面能态及光生电子-空穴对复合过程的研究

以液相法制备了水溶态纳米TiO2,并通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)对纳米TiO2的结构和组成作了细致分析.并对其紫外-可见光谱(UY-Vis spectrum)和荧光发光光谱(PL spectrum)进行了分析.结果发现纳米TiO2呈现较好的锐钛矿型,平均粒径为5 nm.水溶态纳米TiO2由于吸附而在表面形成了Ti-OH和Ti-H2O的表面态,其能级位于其价带以上约0.6和0.54eV;500℃热处理后样品的表面吸附水基本消失,但OH-仍然存在,同时在纳米TiO2晶格中出现了氧空位,其能级位于价带以上3.13 eV.对于水溶态纳米TiO2,表面复合是电子-空穴对的主要复合过程;热处理后的样品,由于表面态遭到破坏,粒子半径变大,直接复合成为电子-空穴对的主要复合过程,同时还伴随有通过氧空位的间接复合和通过Ti-OH的表面复合.     

双氮原子掺入二氧化钛电子结构的第一原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法计算研究了双N原子掺入金红石相TiO_2的几何结构和电子结构.通过比较三种可能的掺杂方式的总能发现,两个氮原子占据两个相邻的B原子位置时具有最稳定的结构.电子结构分析表明,双N原子掺杂TiO_2出现了杂质能级,三种结构的能带间隙均减小,其中杂质原子最近邻占位时,带隙最小,随着两个杂质原子的距离增大,带隙会逐渐变大.     

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.     

锐钛矿相TiO2光学性质的计算

TiO₂具有良好的光学、电学和化学性质,锐钛矿相 TiO₂具有更突出的光催化特性,是一种有广泛用途的宽禁带氧化物半导体。利用基于密度泛函理论的第一原理全电势线性缀加平面波方法计算锐钛矿相TiO₂介电函数的实部、虚部和光学吸收系数,其中能隙值利用剪刀算符修正为3.2 eV。计算结果与实验符合得很好,同时说明广义梯度近似与局域密度近似相比对锐钛矿相TiO₂光学性质的计算没有明显的改善。     

C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究

TiO在微电子结构器件中有重要的应用前景. 本文以CO₂作反应气体, 采用直流反应磁控溅射方法成功制备出C掺杂TiO薄膜. 采用XRD, XPS和四探针电阻计对薄膜结构、成分和电阻率进行表征. 在实验结果的基础之上建立起TiO和C掺杂TiO的计算模型并采用第一性原理 方法计算其能带结构和电子态密度. 实验结果表明薄膜相结构为面心立方的岩盐结构, C取代O的阴离子掺杂为主要掺杂方式, 薄膜电阻率为52.2 μΩ·cm. 第一性原理计算结果表明, 费米能级穿过TiO的导带, TiO具有金属性导电的能带结构特征; C掺杂TiO 后, 其金属性导电的能带结构没有改变, 只是在费米面附近出现C 2p态提供的杂质能级, 杂质能级扩展了TiO的导带宽度并提高了费米面附近的电子能态密度, 从而导至TiO电导增加, 电阻率降低. 第一性原理计算结果与实验结果一致. 关键词： C掺杂TiO 直流反应磁控溅射 第一性原理 电子结构