不同价态稀土元素Eu掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势法对锐钛矿TiO2晶体和Eu3+,Eu2分别掺杂的锐钛矿TiO2晶体的晶格参数、能带结构、态密度、差分电荷密度以及吸收光谱进行了计算.结果表明:不同价态Eu掺杂后锐钛矿TiO2晶胞膨胀,晶格都发生畸变;同时引入了杂质能级,减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,TiO2的光吸收带边发生明显红移,在紫外区和可见光区的吸收系数增大.     

Hf/Ta/W单掺锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理赝势方法计算过渡金属X(Hf、Ta、W)单掺锐钛矿相TiO2后的电子能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明,X掺锐钛矿相TiO2,使得掺杂后体系的体积增大,并随着X掺杂浓度的增加而增大;掺杂体系的禁带宽度都比纯TiO2的要小;由能带图可知,Ta、W单掺后,费米能级进入导带,说明这两种单掺体系属于N型半导体;随着不同浓度Hf、Ta、W的掺入,发现吸收光谱都发生了不同程度的红移,其中Ta、W掺杂体系的光响应范围覆盖了整个可见光区域,对比所有掺杂体系发现Ti0.9375 W0.0833 O2在可见光区域的光响应能力最强,这些现象说明X的掺入大大提升了TiO2光催化能力.     

掺杂铁系元素对TiO2电子结构和光催化性能的影响

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研究了纯锐钛矿相TiO2掺杂铁系原子(Fe、Co、Ni)的电子结构和光学性质.计算结果表明,掺杂能级的形成主要是掺杂离子3d轨道的贡献,在吸收光谱的红移中起关键作用.随着掺杂原子序数的增加,TiO2的导带、价带及杂质能级向低能量方向移动,且移动的幅度逐渐减小.掺杂后TiO2的带隙宽度减小,吸收光谱移至可见光区域,与实验结果相吻合,合理的解释了Fe、Co、M金属掺杂对锐钛矿相TiO2光催化性能影响的机理.     

Ag,N共掺锐钛矿TiO2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(DFT)的第一性原理研究了未掺杂,Ag、N单掺杂及Ag-N共掺杂锐钛矿TiO2的晶体结构,电子结构及光学特性.研究结果表明,掺杂后锐钛矿TiO2晶胞膨胀,晶格发生明显畸变;Ag-N共掺杂TiO2禁带中引入新的杂质能级,导带下移,禁带宽度减小到1.34 eV,TiO2的光吸收带边发生明显红移,在紫外区和可见光区的吸收系数增大,提高了TiO2的光催化效率.     

N与过渡金属共掺杂TiO2理论模型的设计

利用CASTEP软件包,采用密度泛函方法计算设计了N与过渡金属共掺杂TiO2的模型并进行了结构优化,通过对共掺杂结构进行能带结构、态密度、能量分析和模拟紫外-可见吸收光谱分析,可知N/V共掺杂体系有效地减小了TiO2禁带宽度,降低了光子跃迁所需要的能量,使吸收光谱红移,能够很好的提高光利用率和光生载流子的利用率。另外,间隙位N掺杂和替代位N掺杂共同存在时,由于互补效应,共掺杂体系能够很好地吸收紫外-可见光。     

C、N共掺锐钛矿TiO2的缺陷形成能和能带结构分析

通过基于密度泛函理论的第一性原理,计算了非金属C、N共掺杂TiO2的缺陷形成能和能带结构,并与实验研究结果进行了比较.研究结果显示,C、N分别取代Ti、O掺杂形式的缺陷形成能高于C、N均取代O掺杂形式,C、N共掺时,C、N分别取代Ti、O更易实现;与纯锐钛矿相TiO2相比,C单掺、N单掺及C、N共掺均能减小TiO2的禁带宽度,但共掺体系比单掺体系的禁带宽度窄化程度更高;共掺模式比单掺模式更有利于TiO2可见光响应能力及可见光催化活性的提高.     

电子和空穴注入对氮掺杂SnO2材料光电性能的影响

采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波(FLAPW)方法研究了电子、空穴对N掺杂SnO2光电性能的影响,结果表明注入空穴比注入电子的Sn16O31N体系禁带宽度减小了0.02 eV,比未注入电子、空穴的Sn16O31N体系变窄了0.04 eV,导带也相对展宽,体系呈现出半金属特性,SnO2材料导电性能有所提高.注入空穴的体系光学特性也发生了较大的变化,其吸收系数、能量损失函数及折射率在低能区域低于本征和电子注入体系,整个体系的态密度向低能方向移动发生了红移,吸收边变宽,体系的光学响应增大.     

稀土元素(Nd/Sm/Gd/Dy)掺杂SnO2的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理,计算分析了Nd、Sm、Gd和Dy四种稀土元素掺杂SnO2的电子结构和光学性质.计算结果表明:掺杂稀土元素Nd、Sm、Gd、Dy后,Sn7 XO16体系的晶胞体积及晶格常数都有不同程度的增大,禁带宽度减小,在费米能级附近出现了杂质能级.光学性质方面,掺杂稀土元素Nd、Sm、Gd、Dy后,体系的吸收边都向低能方向移动,发生了红移,拓宽了光谱响应范围,与未掺杂之前相比,掺杂稀土元素Nd后的静态介电常数减小,其余三种体系增大.     

Mg/Cd共掺杂ZnO电子结构与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平面波超软赝势法,研究了Mg/Cd(不同的Cd浓度)共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.研究表明:Mg/Cd共掺杂ZnO,体系的晶胞尺寸变大,但结构稳定.当Mg/Cd为1:1时,吸收边略微发生蓝移.随Cd的掺杂浓度增加,导带部分逐渐下移,禁带宽度变窄,出现红移现象.除此之外体系的吸收率和反射率也减小.说明Mg/Cd共掺杂ZnO,不仅使得体系光学谱丰富,而且透射性增强.这对实验中制备出高透射率的材料具有一定的指导意义.     

Cu-I掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了未掺杂,Cu、I单掺杂以及Cu-I共同掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质.结果 表明,Cu、I单独掺杂TiO2都使得吸收带边红移,I单掺时I5p跟O2p态造成禁带宽度变小,吸收带边红移,Cu单掺时Cu的3d态杂质能级引入价带顶部造成禁带宽度变小,吸收带边红移更加明显.对于Cu-I共同掺杂TiO2,Cu主要作用于价带顶,I主要作用于导带底,进而引入杂质能级,使得禁带宽度明显减小,吸收带边明显红移,通过Cu-I协同作用形成电子、空穴俘获中心,有效地阻碍了电子-空穴对的复合,提高了对可见光的催化效率.