第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO₂的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO₂的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO₂的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO₂展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂具有优良的光催化活性. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 共掺杂 可见光催化剂 密度泛函理论     

(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.     

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. 关键词： N掺杂 2')" href="#">锐钛矿型TiO₂ 电子结构     

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C0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.     

(Nb,N)共掺杂锐钛矿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受到越来越多的关注.本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Nb,N）共掺杂TiO₂的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Nb/N）体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外,（Nb,N）共掺杂体系与纯TiO₂相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO₂相比,N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据,从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定.因此,（Nb,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.     

Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO2微观结构和性能的影响

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO₂的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相TiO₂后,TiO₂晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于光生电子-空穴对的有效分离;在TiO₂带隙中出现了杂质能级,使锐钛矿相TiO₂的光学吸收带边红移,可见光区的吸收系数明显增大,有利于光催化效率的提高;在不考虑 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理 Mn和N共掺杂 光催化性能     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的局域密度近似+U(0 ≤U≤9 eV)方法研究了本征金红石相TiO₂在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO₂的电子结构和光学性质, 研究表明, TiO₂的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大. 综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正. 对于掺杂体系, 发现C 元素的掺杂在金红石相TiO₂中引入杂质能级, 杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成, 杂质能级的引入可以增加TiO₂对可见光的响应, 从而使TiO₂的吸收范围增大. C原子掺杂最佳比例为8.3%, 此时光学吸收边的红移程度最明显, 可增大光吸收效率, 从而提高了TiO₂光催化效率.     

N,Fe, La三掺杂锐钛矿型TiO2能带调节的理论与实验研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法(PWPP), 利用Material studio 计算N, Fe, La三种元素掺杂引起的锐钛矿TiO₂晶体结构、能带结构和态密度变化. 并通过溶胶-凝胶法制得锐钛矿型本征TiO₂, N, Fe共掺杂TiO₂和N, Fe, La共掺杂TiO₂; 用X射线衍射和扫描电镜表征结构; 紫外-可见分光光度计检测TiO₂对甲基橙的降解效率变化. 计算结果表明, 由于N, Fe, La三掺杂TiO₂的晶格体积、键长等发生变化, 导致晶体对称性下降, 光生电子-空穴对有效分离, 同时在导带底和价带顶形成杂质能级, TiO₂禁带宽度由1.78 eV变为1.35 eV, 减小25%, 光吸收带边红移, 态密度数增加, 电子跃迁概率提升, 光催化能力增加. 实验结果表明: 离子掺杂使颗粒变小, 粒径大小: 本征TiO₂>N/Fe_TiO₂>N/Fe/La_TiO₂, 并测得N/Fe/La_TiO₂发光峰425 nm, 能隙减小, 光催化能力比N/Fe_TiO₂强, 增强原因是杂质能级和电子态数量增加引起.     

O2流量对磁控溅射N掺杂TiO2薄膜成分及晶体结构的影响

利用直流脉冲磁控溅射方法在室温下通过改变O₂流量制备具有不同晶体结构的N掺杂TiO₂薄膜,利用台阶仪、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计等设备对薄膜沉积速率、化学成分、晶体结构、禁带宽度等进行分析.结果表明:所制备的薄膜元素配比约为TiO_1.68±0.06N_0.11±0.01,N为替位掺杂,所有样品退火前后均未形成Ti—N相结构,N掺杂TiO₂薄膜的沉积速率、晶体结构等主要依赖于O₂流量.在O₂流量为2 sccm时,N掺杂TiO₂薄膜沉积速率相对较高,薄膜为非晶态结构,但薄膜内含有锐钛矿(anatase)和金红石(rutile)相晶核,退火后薄膜呈anatase和rutile相混合结构,禁带宽度仅为2.86 eV.随着O₂流量的增加,薄膜沉积速率单调下降,退火后样品禁带宽度逐渐增加.当O₂流量为12 sccm时,薄膜为anatase相择优生长,退火后呈anatase相结构,禁带宽度为3.2 eV.综合本实验的分析结果,要在室温条件下制备晶态N掺杂TiO₂薄膜,需在高O₂流量(＞10 sccn)条件下制备. 关键词： 2薄膜')" href="#">N掺杂TiO₂薄膜 磁控溅射 化学配比 晶体结构     

N-F共掺杂锐钛矿二氧化钛(101)面纳米管的第一性原理研究

共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了N单掺杂、F单掺杂及N-F共掺杂二氧化钛纳米管的原子结构、电子性质和光学性质. 计算结果表明, 相比N单掺杂和F单掺杂, N-F共掺杂二氧化钛纳米管的形成能更低, 掺杂后的体系热力学稳定性更好. 此外, 相比未掺杂时的带隙, N-F共掺杂后体系的带隙变化最多, 减少了0.557 eV, 而这主要源于价带顶附近的杂质能级的贡献. 此外, 通过分析掺杂后的光催化活性发现, N-F共掺杂时纳米管的还原性和氧化性都有所降低, 但并没有丧失活性, 并且光吸收谱表明, 共掺杂体系的红移现象最为明显. 因此, N-F共掺杂可有效提高二氧化钛纳米管可见光的光催化性能.     

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.     

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.     

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.     

Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn_0.98148Al_0.01852O_0.96296N_0.03704和Zn_0.96875Al_0.03125O_0.9375N_0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

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.