C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用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, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO₂超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO₂的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO₂的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.     

Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用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,建立了不同Eu掺杂量的锐钛矿相TiO₂超胞模型,计算了其态密度、差分电荷密度、能带结构和吸收光谱.结果发现:掺杂后Eu在TiO₂的禁带中产生杂质能级.通过对比两种不同Eu掺杂量(1.39at%和2.08at%)下的锐钛矿TiO₂的能带结构,发现掺杂量越高,杂质能级越向深能级方向移动,说明电子复合率随杂质浓度增加而增加,即电子寿命变小,同时吸收光谱红移越显著,强度越强.根据实际需要,可在锐钛矿TiO₂中适量掺杂Eu,在适当减少电子寿命情况下,使吸收光谱红移.     

氮铁共掺锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了N,Fe共掺杂TiO₂的晶体结构、电子结构和光学性质.研究表明,N,Fe共掺杂TiO₂的晶格体积、原子间的键长及原子的电荷量发生变化,导致晶体中产生八面体偶极矩,并因此光生电子-空穴对有效分离,提高TiO₂的光催化活性;N,Fe共掺杂同时在导带底和价带顶形成了杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变窄,光吸收带边红移到可见光区,这些杂质能级可以降低光生载流子的复合概率,提高Ti     

镧掺杂对锐钛矿TiO2电子结构与光催化活性影响的第一性原理研究

基于DFT+U方法,对镧掺杂锐钛矿TiO₂及其氧空缺的稳定性以及对电子结构、光催化性质的性质进行了第一性原理研究．计算结果表明掺杂浓度和位置对结构稳定性的影响机制符合鲍林规则;结合晶体场理论和结构形变以及态密度的分析发现镧掺杂对带隙的调制不是通过掺杂带的引入,而是由结构形变决定．吸收光谱的模拟结果显示通过镧掺杂会提高可见光的吸收效率,和实验结果吻合．对氧空缺的后续研究表明氧空缺的存在会增强镧掺杂锐钛矿TiO₂的稳定性,提高其光催化活性．     

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     

离子注入掺杂锐钛矿TiO2薄膜的光学性能

 在玻璃基体上,采用射频磁控溅射方法在不同的基体温度下制备了TiO₂薄膜,然后在薄膜中注入注量分别为5×1016, 1×1017和5×1017/cm2的N离子以制备N掺杂的TiO₂薄膜。X射线衍射结果表明：制备出的TiO₂薄膜为锐钛矿型。X射线光电子能谱研究结果表明：注入的N离子与TiO₂晶粒相互作用,形成了含氮的TiO_xN_2-x化合物,从而改变了TiO₂薄膜的吸收边;随N离子注量增加,吸收边移动更明显;同时,由于氮离子注入产生的辐照缺陷使TiO₂薄膜在紫外和可见光区的吸收也明显增强。     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致. 关键词： C掺杂 2')" href="#">锐钛矿TiO₂ 能带结构 吸收光谱     

金红石相和锐钛矿相TiO2本征缺陷的第一性原理计算

采用第一性原理的计算方法, 分别研究了金红石相和锐钛矿相TiO₂各种缺陷态形成的类型, 以及几何结构、生长气氛和Fermi能级位置对缺陷形成能的影响, 从理论上预测产生点缺陷的实验条件. 重点是讨论带电点缺陷的形成能, 并对结果进行适当修正. 研究发现, 本征缺陷的类型和浓度对 TiO₂的性能有一定的影响: 在富O条件下, TiO₂容易形成V_Ti(Ti空位)缺陷; 在富Ti条件下, TiO₂的Ti_i⁴⁺和V_O(O空位)缺陷将大量出现, 形成Schottky缺陷.     

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     

N,Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光量子效率;与纯TiO2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.     

N掺杂锐钛矿TiO2光学性能的第一性原理研究

用平面波赝势方法(PWP)计算了N掺杂锐钛矿型TiO₂前后的光学特性,即介电函数虚部ε₂(ω)，光学吸收系数I(ω)和反射率R(ω). 并从能带结构上解释了为什么掺N后锐钛矿型TiO₂的光学谱在2.93，3.56和3.97eV处相对掺杂前会出现3个峰值的原因. 从光谱图上分析得出，掺杂后TiO₂要发生红移现象，实验现象证实了这一结果. 关键词： N掺杂 2')" href="#">锐钛矿型TiO₂ 光学性能 第一性原理     

Concentration-dependent electronic structure and optical absorption properties of B-doped anatase TiO2

The concentration-dependent electronic structures and optical properties of B-doped anatase TiO₂ have been calculated using the density functional theory. The calculated results indicate that the electronic structures of B-doped TiO₂ have changed compared with those of pure TiO₂, which is mainly due to the new midgap states induced by B doping. As to the optical properties, we calculate the imaginary part of dielectric function ε₂(ω) and optical absorption spectra of pure and B-doped TiO₂. Two transitions E₁ and E₂ emerged after B doping. The intensity of absorption is enhanced by B doping both in the UV and visible regions. According to the results of imaginary part of dielectric function ε₂(ω) and DOS, it can be concluded that the two optical transitions correspond to the transitions from the O 2p states in the top of valence band to the midgap states and from the midgap states to the Ti 3d states in the bottom of conduction band, respectively. These results have important implications for the further development of photocatalytic materials.     

First-principles study of the electronic and optical properties of the (Y, N)-codoped anatase TiO2 photocatalyst

First-principles plane-wave pseudopotential calculations are performed to study the geometrical structures, formation energies, and electronic and optical properties of Y-doped, N-doped, and (Y, N)-codoped TiO₂. The calculated results show that Y and N codoping leads to lattice distortion, easier separation of photogenerated electron-hole pairs and band gap narrowing. The optical absorption spectra indicate that an obvious red-shift occurs upon Y and N codoping, which enhances visible-light photocatalytic activity.     

First-principles study of electronic structures and optical properties of Cu, Ag, and Au-doped anatase TiO2

We perform first-principles calculations to investigate the band structure, density of states, optical absorption, and the imaginary part of dielectric function of Cu, Ag, and Au-doped anatase TiO₂ in 72 atoms systems. The electronic structure results show that the Cu incorporation can lead to the enhancement of d states near the uppermost of valence band, while the Ag and Au doping cause some new electronic states in band gap of TiO₂. Meanwhile, it is found that the visible optical absorptions of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂, are observed by analyzing the results of optical properties, which locate in the region of 400-1000 nm. The absorption band edges of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂ shift to the long wavelength region compared with the pure TiO₂. Furthermore, according to the calculated results, we propose the optical transition mechanisms of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂. Our results show that the visible light response of TiO₂ can be modulated by substitutional doping of Cu, Ag, and Au.     

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. 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ S掺杂 第一性原理 光催化性能