Cu离子注入单晶TiO_2微结构及光学性质的模拟研究

TiO_2是一种新型的第三代半导体材料,具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO_2,可以改善TiO_2对光谱的响应范围,提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO_2结构及其相应光学性质的变化.结果表明,金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献,导带底主要由Ti 3d轨道贡献;掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级;Ti空位使得晶体费米能量降低,在价带顶产生新能级;O空位使得费米能量升高,在导带底产生新能级,表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析,得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

锐钛矿相和金红石相Nb:TiO_2电学性质的GGA(+U)法研究

采用基于密度泛函理论第一性原理GGA和GGA+U相结合的方法研究了不同掺杂浓度下锐钛矿相和金红石相Nb:TiO2的晶体结构、电子结构以及稳定性.结果表明:锐钛矿相Nb:TiO2能带结构与简并半导体类似,呈类金属导电机理.金红石相Nb:TiO2呈半导体导电机理.Nb原子比Ti原子电离产生出更多的电子.锐钛矿相Nb:TiO2中Nb原子的电离率比金红石相Nb:TiO2的大.以上结果说明锐钛矿相Nb:TiO2比金红石相Nb:TiO2更适宜用作TCO材料;掺杂浓度对其杂质能级,费米能级和有效质量都有影响.Nb原子掺杂浓度越高,材料电离率呈降低趋势;形成能计算结果显示:在富钛条件下不利于Nb原子的掺杂,而在富氧条件下有利于Nb原子的掺杂.对于金红石相和锐钛矿相Nb:TiO2,不论是在贫氧或富氧条件下,随着Nb原子掺杂浓度的提高,形成能均增大.     

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.     

金红石TiO_2本征缺陷磁性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法模拟计算了金红石相TiO_2的四种本征缺陷(氧空位、钛空位、钛间隙缺陷、氧间隙缺陷)和两种复合缺陷(氧空位与氧间隙复合缺陷、钛空位与钛间隙复合缺陷)的铁磁特性.结合态密度、电子分布及晶体结构变化分析可知,四种本征缺陷均会在系统内引入缺陷态.氧空位、钛间隙缺陷使费米面升高,引起自旋极化,引入磁矩分别为1.62μB与3.91μB;钛空位的缺陷态处于价带顶,使费米面进入价带,表现出明显的p型半导体特性,引入磁矩约为2.47μB;氧间隙缺陷引入缺陷态但仍然处于自旋对称状态,费米面略微下降;氧空位与氧间隙复合缺陷使费米面上升的程度比单个氧空位时大,模拟的超晶胞保持了氧空位的铁磁特性,大小为1.63μB;钛空位与钛间隙复合缺陷以反铁磁方式耦合,但超晶胞仍具有一定的铁磁特性.     

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.     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

金红石型TiO_2中四种点缺陷态研究

利用第一性原理计算方法研究了金红石型TiO_2中四种缺陷的电子态.这四种缺陷包括氧空位(O_v)、钛空位(Ti_V)、钛间隙(Ti_S)以及氧空位O_v与钛间隙态Ti_S共存态.氧空位的存在导致禁带内施主缺陷能级较浅,而深施主能级与Ti间隙态有关.预测了氧空位更倾向于与钛间隙结合,主要通过钛间隙态的3d电子部分转移到近邻近氧空位的部分形成O_V-Ti_S对缺陷.具有O_v、Ti_S或O_V-Ti_S缺陷的体系都出现间隙态,促进体系出现红外吸收.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.     

金红石结构TiO2晶体点缺陷形成能的经验途径计算

基于经验参数化途径 ,通过对晶体结构、晶格形成能、介电性质和弹性实验数据拟合确定金红石结构氧化物晶体TiO2 的电子壳模型参数和非Coulomb互作用势参数 .计算点缺陷形成能 .论证Schottky缺陷是金红石结构TiO2中的本征缺陷 .     

点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

First principles molecular dynamics study of nitrogen vacancy complexes in boronitrene

We present the results of first principles molecular dynamics simulations of nitrogen vacancy complexes in monolayer hexagonal boron nitride. The threshold for local structure reconstruction is found to be sensitive to the presence of a substitutional carbon impurity. We show that activated nitrogen dynamics triggers the annihilation of defects in the layer through formation of Stone-Wales-type structures. The lowest energy state of nitrogen vacancy complexes is negatively charged and spin polarized. Using the divacancy complex, we show that their formation induces spontaneous magnetic moments, which is tunable by electron or hole injection. The Fermi level s-resonant defect state is identified as a unique signature of the ground state of the divacancy complex. Due to their ability to enhance structural cohesion, only the divacancy and the nitrogen vacancy carbon-antisite complexes are able to suppress the Fermi level resonant defect state to open a gap between the conduction and valence bands.     

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.     

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.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,计算含有锑空位和铝空位的AlSb电子结构,发现空位引起周围原子弛豫,晶体结构发生畸变.在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响,结果表明,铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低,带隙变窄;而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高,带隙变窄,同时,锑化铝的半导体类型由p型变为n型.对光学性质的研究发现,由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。     

First-principles study of single intrinsic vacancy formation and its effect on the electronic density states and magnetic moment of V-doped ZnO

We calculated the formation energy of single vacancy in V-doped ZnO in different conditions (oxygen or zinc rich) by first principles. Effect of an intrinsic vacancy on the electronic density of states and magnetic moment of V-doped ZnO (Zn₁₅VO₁₆) with and without single vacancy was also calculated. Our calculation was performed by the CASTEP program within spin-polarized GGA approximation implemented in materials studio software. The formation energy showed that oxygen vacancy inclined to stay far from vanadium (V) and zinc vacancy preferred to stay at a position near V. The calculated formation energy also showed that a zinc vacancy may automatically occur but an oxygen vacancy may not appear automatically. Vanadium doping introduced spin-polarization around Fermi level. For an energy favorable vacancy, an oxygen vacancy had little effect on the electronic density of states. A zinc vacancy made the spin-polarization peaks around Fermi level broaden and decreased their magnitude. For the magnetic moment in energy favorable configurations, an oxygen vacancy had little effect on the magnetic moment; a zinc vacancy significantly decreased the magnetic moment (as high as 63.7%). Changes in magnetic moments were consistent with electronic density of states. Our calculation may interpret various experimental magnetic moment values. Our work also provided a reference for preparing V-doped ZnO-based dilute magnetic semiconductors.     

Interplay between external strain and oxygen vacancies on a rutile TiO2(110) Surface

Comprehensive first-principle calculations on strained rutile TiO2(110) indicate that the formation energy of different types of oxygen vacancies depends on the external strain. For the unstrained state, the energetically favorable oxygen vacancy (EFOV) appears on the bridging site of the first layer; when 3% tensile strain along [11[over ]0] is applied, EFOV moves to the in-plane site, while 2% compressive strain along either [001] or [11[over ]0] shifts EFOV to the subbridging site. We therefore suggest that the distribution of oxygen vacancies can be engineered by external strain, which may help to improve the applications of a TiO2 surface where oxygen vacancy plays an important role.