非掺杂锐钛矿相TiO_2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LDA+U(U_(Ti)=5.8 eV)方法研究了Ti空位(V_(Ti))和O空位(VO)对非掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光学吸收性质的影响.研究表明V_(Ti)可以有效提升TiO_2体系对可见光的响应,而VO则不能.在双V_(Ti)体系,由于杂质能级数目的增多可降低TiO_2体系的有效禁带宽度,进一步提升了TiO_2在可见光区的吸收强度.在V_(Ti)和VO共存的TiO_2体系,由VO引入的两个电子占据了费米能级处的杂质能级会使体系的价带顶上移,同时由VO引入的杂质能级位于禁带之间可以作为价电子由价带向导带之间跃迁的桥梁,因此此种结构对可见光的响应是最好的,有效的提高了TiO_2半导体的光电转换效率和光催化能力.     

Zn掺杂锐钛矿TiO2的电子结构及光学性质的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对Zn掺杂锐钛矿TiO_2进行了结构优化,并对掺杂前后的能带结构、电子态密度和吸收光谱进行了计算。研究表明:Zn掺杂锐钛矿TiO_2体系为间接带隙半导体,在价带顶部引入了杂质能级,杂质能级主要由O-2p轨道和Zn-3d轨道贡献,杂质能级的引入增强了TiO_2对可见光区的响应,增大TiO_2的光吸收范围。实验结果表明:Zn掺杂使锐钛矿TiO_2吸收边红移,并能增强TiO_2的光电效应,可用于材料的光阴极保护。     

(Cu+N)共掺杂锐钛矿相TiO_2(001)面和(101)面电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了3d过渡元素Cu掺杂及(Cu+N)共掺杂于锐钛矿相TiO_2(001)面和(101)面的电子性质,给出了不同掺杂形式形成能、能带结构、态密度及电荷分布的变化,得出了(Cu+N)共掺杂时最稳定的结构.通过计算Cu表层吸附、表层和次表层替位掺杂以及晶体间隙掺杂的形成能,发现Cu掺杂更易发生在TiO_2(001)面的空穴位,此时N偏向于在水平方向上的O位发生替位掺杂.计算结果表明(Cu+N)共掺杂后Cu-3d与O-2p,N-2p及Ti-3d轨道上的电子发生p-d杂化效应,引发O-2p,N-2p态发生劈裂使得价带范围扩大,Ti-3d态下移且发生劈裂形成新的导带底,并且禁带中产生了新的电子态,禁带宽度减小,同时(Cu+N)施主受主杂质对的出现可以有效防止电子空穴对的复合,提高了TiO_2的光催化活性.     

Cu掺杂A-TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Cu掺杂的A-TiO_2的电子结构和光学性质.结果表明,p型Cu掺杂会在禁带中引入杂质能级,同时杂质能级的数目随着掺杂Cu原子的增加而增多.由于杂质能级的出现,掺杂体系的禁带宽度变宽但有效禁带宽度降低,电子从低能级向高能级跃迁所需的光子能量变小,掺杂体系吸收谱的吸收峰发生明显的红移.掺杂体系在可见光区(680nm处)出现新的吸收峰,当Cu原子掺杂摩尔分数为4.17%时,A-TiO_2对可见光的净吸收最优,可有效提升A-TiO_2光催化剂的性能.可为制备高效的TiO_2半导体光催化材料研究提供参考.     

Cu掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Cu掺杂纤锌矿ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,当Cu掺杂的原子百分比为4.17%时体系的光学吸收性能最好,且在可见光区出现了新的吸收峰.电子结构的分析表明,Cu的引入可以在体系的费米能级引入由Cu-3d电子和O-2p电子相互作用形成的杂质能级,价电子由eg能级向tg能级跃迁吸收的最小光子能量约为0.12 e V,这使得Cu掺杂的ZnO体系的光学吸收边落在了红外光区,同时杂质能级的出现降低了ZnO体系的禁带宽度,提升了ZnO半导体材料对长波光子的响应并有效改善ZnO半导体的光催化活性.     

Ag掺杂对单层MoS_2的电子结构和光学性质影响

基于密度泛函理论框架下的平面波超软赝势方法,计算了Ag掺杂单层MoS_2中的能带结构、态密度和光学性质.计算结果显示单层MoS_2具有直接带隙结构,禁带宽度为1.63 eV;Ag掺杂后,Ag 4d与S 3p,Mo 4d发生轨道杂化,在费米能级处产生了多条杂化能级,表现为半金属特性,其中吸收峰、反射峰和能量损失峰峰值均有不同程度减小并向低能方向发生偏移,计算结果为Ag掺杂单层MoS_2的光电子器件制备提供了理论依据.     

轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:稀土掺杂TiO_2(101)面时,掺杂原子诱导掺杂体系的价带顶和导带底出现了显著的不对称,掺杂体系形成了兼并型的P型或N型半导体.掺杂体系的价带和导带出现了明显的移动,平均带隙相比未掺杂体系均出现了不同程度的增加,但是在带隙中出现了浅杂质能级.稀土原子替代O原子或以插入原子形成掺杂体系的光吸收强度明显高于稀土原子替代Ti原子形成的掺杂体系.La@O13体系和Ce@O13体系的光吸收能力最强,其可以归因于净磁矩的产生和浅杂质能级的形成,从而致使电子空穴对的产生和分离,进一步提高了掺杂体系在可见光区域的光催化吸收强度.研究结果可为二氧化钛在光电子器件领域的应用开发提供有益的理论依据.     

钛掺杂对纳米硅晶结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了钛(Ti)掺杂纳米Si晶的形成能、电子结构和光学性质,考虑了Ti占据替代和间隙不同位置的构型特点.结果表明:所有的掺杂结构都是不稳定的,中心四面体间隙Ti掺杂纳米硅晶最接近稳定结构.Ti 3d态分裂为t_(2g)和e_g态.对于Ti替代掺杂,e_g在带隙中提供一个空带,不能产生受体态;对于四面体间隙Ti掺杂,部分填充的t2g态出现在带隙中,其形成的杂质能级可满足杂质带材料的要求.由间隙Ti掺杂Si纳米晶的介电函数虚部和光吸收系数可知,Ti的掺入可增强对太阳光谱的吸收强度.     

同主族Si/C共掺杂TiO_2可见光区光催化性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论(DFT)第一性原理平面波超软赝方法对Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2电子结构、差分电荷密度和光学特性进行了研究.计算结果表明,共掺杂能明显降低体系的带隙(约为1.7eV),能有效增加其光催化活性.从总态密度图可以得到,费米能级附近的杂质态降低了跃迁能.Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2能有效提高其在可见光区域的吸收系数,特别是在三种不同的构型中,第三种构型在可见光区域具有最大吸收系数.     

掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

基于第一性原理计算,研究了B/N掺杂对宽度为N(a)=3p+2=11的扶手椅(Armchair)型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响.杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域的杂质态能带,杂质的位置也影响其能带结构.另外,杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射,其特点与掺杂种类、掺杂位...     

N掺杂TiO_2复合膜中N晶格位置转变

采用磁过滤真空直流阴极弧蒸发工艺在石英基底上沉积N掺杂Ti薄膜,随后将其在马弗炉中以不同的退火温度(100~700℃)热处理制备N掺杂TiO_2薄膜,采用X线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)分析表征。结果表明:初始态N掺杂Ti薄膜为包含少量TiN相的Ti薄膜,在300℃退火处理时,N掺杂Ti薄膜直接氧化生成N掺杂金红石相TiO_2薄膜。初始态的N掺杂Ti薄膜表面平整、颗粒细密,与基底附着牢固,经700℃退火处理后,TiO_2颗粒得到了良好的结晶生长,薄膜厚度增加了60%。当热处理温度为600℃时,N掺杂TiO_2复合膜中替代型N开始转变为填隙型N,由于填隙型N具有更高的能级,这种N位置的转变进一步窄化了N掺杂TiO_2的能带宽度,提高了对可见光的利用率。     

BaTaO2N局域电子结构及光学性质的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的第一原理方法计算了BaTa02N的局域能带结构、态密度和光学性质．能带结构结果表明,BaTa02N属于直接带隙半导体,其能带宽度Eg=0．62eV;价带主要由O2p,N2p和Ta5d态电子构成,且N2p态位于价带顶;导带主要由Ta5d态电子构成．基于能带结构和态密度分析了BaTaO：N的介电函数以及折射率、光电导率、吸收谱和能量损失函数等光学性质．静态介电常数（0）=6．13,折射率no=2．48,在紫外区有较大的吸收系数．     

Cr、Mn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的方法,研究了纯锐钛矿相TiO2、Cr、Mn单掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与价带相距大约0.65 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Mn原子的3d轨...     

B、N共掺杂单层石墨烯电子结构和导电性能

利用密度泛函理论研究方法对B、N原子以邻、间、对位等3种不同的相对位置以相同的比例(12.5%)共掺杂单层石墨烯的电子结构进行研究,分别计算共掺杂结构的能带结构、态密度、电荷密度和电荷差分密度等。结果表明:B、N原子共掺杂石墨烯的价带和导带之间出现直接带隙,而且价带电子轨道和导带空轨道分布更靠近费米能级,共掺杂石墨烯可同时作为电子的供体和受体,间位共掺杂结构的带隙值最小(1.296eV).在共掺杂结构的电荷重新分布过程中,B、C和N间的互相杂化和电荷的转移主要发生在各原子的2p轨道,其中B-C原子杂化轨道分布更靠近费米能级,C-N原子杂化轨道能分布在较低的能量区间。     

S掺杂锐钛矿TiO_2电子结构的第一性原理研究

对完整锐钛矿TiO2晶体及S掺杂锐钛矿TiO2晶体电子结构进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过对能带、态密度的分析,发现在S掺杂后,O原子,S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S原子的3p轨道,O原子的2p轨道移动,使得导带向低能区移动,从而使TiO2的禁带宽度变小,吸收边红移.从而揭示了S掺杂导致锐钛矿TiO2晶体禁带宽度变小的机理.理论计算与实验结果基本相符.     

Y-Nb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

目的计算分析Y-Nb共掺杂对金红石型TiO2的微观结构、电子结构和光学性质的影响,为实验研究和实际应用提供理论依据。方法采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法。结果 Y掺杂后禁带宽度减小,出现受主能级并跨越了费米能级,低能区出现介电峰,价带主要由O 2p态、Ti 3d和Y 3p4d态共同构成;Nb掺杂后禁带宽度有所减小,价带和导带整体负移,但是对介电峰没有明显的影响;Y-Nb共掺杂的形成能最低,杂质原子引起了晶格结构的畸变,使得以Ti为中心和分别以Y、Nb为中心的氧八面体正负电荷中心分离,从而产生内偶极矩,有利于光生电子空穴对的分离。结论 Y-Nb共掺杂极大地减小了禁带的宽度,提高了金红石型TiO2对可见光吸收性,从而减少电子从价带跃迁到导带所需的能量。     

Y-Nb共掺杂金红石型Ti02电子结构和光学性质的第一性原理研究

目的计算分析Y-Nb共掺杂对金红石型TiO2的微观结构、电子结构和光学性质的影响,为实验研究和实际应用提供理论依据。方法采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法。结果Y掺杂后禁带宽度减小,出现受主能级并跨越了费米能级,低能区出现介电峰,价带主要由O2p态、Ti3d和Y3p4d态共同构成;Nb掺杂后禁带宽度有所减小,价带和导带整体负移,但是对介电峰没有明显的影响;Y-Nb共掺杂的形成能最低,杂质原子引起了晶格结构的畸变,使得以Ti为中心和分别以Y、Nb为中心的氧八面体正负电荷中心分离,从而产生内偶极矩,有利于光生电子空穴对的分离。结论Y-Nb共掺杂极大地减小了禁带的宽度,提高了金红石型TiO2对可见光吸收性,从而减少电子从价带跃迁到导带所需的能量。     

Cu/N共掺杂ZnS电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnS、N单掺杂、Cu-N共掺杂与Cu-2N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度与光学性质.结果表明,Cu/N共掺杂体系降低了体系的带隙,增加了其光催化活性.对于Cu-2N掺杂,分析其态密度,发现共掺杂体系的总态密度在费米能级附近更加弥散,更多的态密度穿越费米能级,使共掺杂更容易获得p-型ZnS,同时费米能级附近的杂质态降低了跃迁能,使得共掺杂体系能有效提高其在可见光区的吸收系数.     

钒掺杂SnO2材料的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论采用全势线性缀加平面波方法计算V掺杂SnO2后的电子态密度、能带结构、介电函数和吸收系数。结果表明:由于V的掺入,晶胞SnO2费米能级向导带方向移动,在费米能级附近形成新的电子占据态,出现杂质能带,这是由V-3d态和O-2p态电子杂化所形成;介电谱在0～3.0 eV之间时出现3个新的介电峰,在高能区介电谱主峰位置发生蓝移,峰值强度减少;吸收谱发生展宽,吸收谱与介电谱的峰相对应。     

金属Fe、Y单掺杂TaON的电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的从头算平面波超软赝势方法,研究金属Fe、Y单掺杂对斜锆石相TaON电子结构和光学性质的影响.研究结果表明,掺杂后TaON电子结构和光学性质的变化主要源于杂质原子d态电子的贡献.Fe、Y掺杂均在禁带中引入了新的杂质能级,并使费米能级处的态密度值有所增加,带隙宽度有所减小,从而导致吸收光谱的吸收边沿发生明显的红移,说明Fe、Y掺杂对于提高TaON的可见光催化性能和电输运性能起到很好的促进作用.两相比较,就提高光催化性能和电输运性能来说,Fe掺杂的效果优于Y掺杂.