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.     

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.     

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     

S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S 3p态与O 2p态、Ti 3d态杂化而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些结果很好地解释了S掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.根据计算结果分析比较了硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构和光催化性能影响的差别.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

BaZr0.5Ti0.5O3电子结构、力学和光学性质的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对BaZr0.5Ti0.5O3的电子结构、力学性质和光学性质进行了理论计算．计算得到该晶体的晶格常数为4.145925 Å,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、O原子的p态和Ti原子、Zr原子的d态电子间的杂化;力学性质的计算得到：BaZrO3和BaZr0.5Ti0.5O3的晶体结构稳定,且BaZrO3晶体掺杂Ti元素后体系的硬度变大;光学计算结果表明BaZr0.5Ti0.5O3的静态介电常数为4.20,吸收主要集中在低能区,静态折射率为2.00,能量损失峰出现在11.59eV处．上述研究结果为BaZr0.5Ti0.5O3材料的设计和应用提供了理论依据．     

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.     

BaZr0.5Ti0.5O3电子结构、力学和光学性质的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对BaZr0.5Ti0.5O3的电子结构、力学性质和光学性质进行了理论计算．计算得到该晶体的晶格常数为4.145925 Å,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、O原子的p态和Ti原子、Zr原子的d态电子间的杂化;力学性质的计算得到：BaZrO3和BaZr0.5Ti0.5O3的晶体结构稳定,且BaZrO3晶体掺杂Ti元素后体系的硬度变大;光学计算结果表明BaZr0.5Ti0.5O3的静态介电常数为4.20,吸收主要集中在低能区,静态折射率为2.00,能量损失峰出现在11.59eV处．上述研究结果为BaZr0.5Ti0.5O3材料的设计和应用提供了理论依据．     

La掺杂6H-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及La掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂La元素,形成P型间接半导体,带隙宽度下降为0.886 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后La的5d轨道与6H-SiC的sp~3轨道杂化主要贡献在价带部分,而对导带的贡献相对较小,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,其中第一个介电峰是由sp~3杂化轨道上的电子跃迁到La原子5d轨道上产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为7.35 eV处,吸收系数达到最大值.     

Analysis of electronic structures of 3d transition metal-doped TiO2 based on band calculations

The electronic structures of titanium dioxide (TiO₂) doped with 3d transition metals (V, Cr, Mn, Fe, Co and Ni) have been analyzed by ab initio band calculations based on the density functional theory with the full-potential linearized-augmented-plane-wave method. When TiO₂ is doped with V, Cr, Mn, Fe, or Co, an electron occupied level occurs and the electrons are localized around each dopant. As the atomic number of the dopant increases the localized level shifts to lower energy. The energy of the localized level due to Co is sufficiently low to lie at the top of the valence band while the other metals produce midgap states. In contrast, the electrons from the Ni dopant are somewhat delocalized, thus significantly contributing to the formation of the valence band with the O p and Ti 3d electrons. Based on a comparison with the absorption and photoconductivity data previously reported, we show that the t_2g state of the dopant plays a significant role in the photoresponse of TiO₂ under visible light irradiation.     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

掺锰铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

掺铁铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

First-principles study of photoconductivity in BaTiO3 with oxygen vacancies

The photoconductivity of BaTiO_2.5 with oxygen vacancy has been studied by the linear muffin-tin orbital method in the atomic sphere approximation (LMTO-ASA). The ground-state structure of BaTiO_2.5 is obtained by minimization of the total energy. The partial densities of states show that the occupied states at the bottom of the conduction band have primarily Ti d orbital character. The photoconductivity shows that two novel features, in the low energy side, can be attributed to the intraband transition of free electronic carriers in the vicinity of the Fermi level and the interband transition of the Ti 3d(yz) related band states, to the Ti 3d(xy,xz) related band states, respectively. In addition, it is also found that the anisotropy of photoconductivity is enhanced because of the introduction of oxygen vacancy. The system can show the conductive behavior of electronic carriers, which is qualitatively in agreement with a recent experimental finding.     

The effects of O deficiency on the electronic structure of rutile TiO2

Ab initio density functional calculations (plane wave GGA, CASTEP) were performed to determine the effect of O deficiency on the electronic structure of rutile, TiO₂. O deficiency was introduced through either the removal of O or the insertion of interstitial Ti atoms. At physically realistic concentrations of O vacancies in the rutile lattice (i.e. 25% and less) O deficiency results in the population of the bottom of the conduction band, the location of the Ti 3d orbitals in the pure structure, increasingly with increasing vacancy concentration. We propose that this could be confused with the formation and population of gap states especially where O vacancies occur in isolated positions in the lattice. In contrast, Ti interstitials introduce a defect state into the energy gap, without an overall reduction in the size of the energy gap. O vacancies result in a spin polarized solution, whereas Ti interstitials do not.     

钛的腐蚀与钝化机理电子理论研究

建立了位错塞集引发的裂纹原子集团模型,采用递归法计算了钛的电子结构参量,并研究了氧、氯、钯等元素对钛电子结构的影响.发现氧能降低费米能级附近的态密度,使钛的物理化学活性降低.氧降低钛的原子结合能,与钛原子之间有较大的亲和力,易与钛反应形成氧化膜.Cl在钛中的稳定性及与钛的亲和力均不及氧,很难取代钛表层中的氧,使得钛的氧化膜非常稳定,不会出现过钝化现象.Pd在钛中裂纹处的环境敏感镶嵌能较低,易扩散到裂纹处,且Pd元素使H在裂纹处的环境敏感镶嵌能明显升高,有效减小H向裂纹处的扩散,提高钛的应力腐蚀抵抗力. 关键词： 钛 腐蚀 钝化 电子结构     

Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magneli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能.计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低.态密度分析表明,其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p,3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移,同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d,3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级.态密度分析结果还显示,相对于TiO₂,Ti₈O₁₅Fermi能级附近电子格局发生了如下变化:O原子的2p轨道电子贡献减少,Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大.光吸收计算图谱表明,TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力,而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区,从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力,计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.