La/S共掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理对La/S共掺杂前后锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居以及电子结构进行了计算.结果表明:La/S共掺杂导致TiO2晶格膨胀并减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,同时在TiO2禁带之内引入了局域态的杂质能级,这些杂质能级可以充当电子从价带到导带跃迁的"桥梁"以减小激发光子的能量从而提高太阳光的利用率.为实验上合成的La/S共掺杂TiO2可见光催化剂提供了一定的理论基础.     

第一性原理计算Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居、能带结构、电子分态密度和吸收光谱进行了计算.计算结果表明:Zr/S共掺杂导致锐钛矿相TiO2的晶格畸变使其体积变大,共掺杂时Zr和S的电荷布居数与单掺杂前的布居数略有不同;Zr/S共掺杂还导致锐钛矿相TiO2的禁带宽度变大0.1eV,达到2.30eV,但是由于Zr/S共掺杂在TiO2禁带之内引入了杂质能级,这些杂质能级可以作为电子跃迁的"台阶"而降低电子从价带跃迁到导带所需的激发光子能量,这有可能是实验上制备的Zr/S共掺杂TiO2具有较高光催化活性的内在原因.     

(S,Co)双掺杂TiO2改性第一性原理

为提高TiO2晶体的光催化性能,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了S和Co分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质.研究结果表明:原子替位掺杂后体系晶格畸变较小;禁带中杂质能级的出现使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区的吸收效率显著增加,大大提高了光催化效率.与单掺杂比较发现,(S,Co)双掺杂红移现象更加明显且在可见光区均有吸收,为较好的掺杂改性方式.该成果对实验合成性能较佳的TiO2具有较好的指导意义.     

N,F和S掺杂对TiO_2电子结构与光学性质的影响

基于第一性原理的计算方法研究了掺杂N,F,S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO2的禁带宽度变小。S掺杂使TiO2在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性。     

The effects of N, F and S doping on electronic structures and optical Properties of TiO2

基于第一性原理的计算方法研究了掺杂N,F,S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO2的禁带宽度变小。S掺杂使TiO2在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性。     

Cr掺杂锐钛矿相TiO2电子结构的第一性原理计算

对Cr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Cr掺杂后,Cr原子3d轨道上的电子在TiO2的导带底产生了不稳定的杂质能级,使得禁带宽度变窄,在较小的光量子能量照射下（即在较大波长的光照射下）它的催化性能有所提高;但由于它的杂质能级波动幅度较大,在短波长的光照射下,跃迁上的电子容易发生跌落,使得掺Cr的锐钛矿相TiO2光催化性能降低．     

N和S共掺杂对TiO2电子结构与光学性质的影响

基于第一性原理的计算方法研究了N和S共掺杂的锐钛矿相TiO₂的晶体结构、电子结构及光学性质.计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO₂的禁带宽度变小.N和S共掺杂使TiO₂在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性.     

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。     

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.     

同主族C-Si共掺杂TiO2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C-Si共掺杂TiO2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载波跃迁能。C-Si的共掺杂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,第三构型在可见光区域具有最大吸收系数。     

N/Zr共掺杂锐钛矿型TiO_2光催化协同作用机制的第一性原理研究

采用平面波超软赝势法计算了N,Zr单掺杂和共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质.根据能量最低原理比较了不同替位掺杂构型的最稳定结构,而后分析单、共掺杂构型中各自的能带结构,通过计算态密度及分波态密度分析了其光学性质改善机制.此外通过分析体系的电荷密度图得出N与Zr有团簇成键的趋势.对不同掺杂体系的光学性质进行了对比分析,发现共掺杂方法可以有效增强TiO2材料对可见光的吸收以促进其更好的利用太阳能.本文的理论计算和分析将有助于理解共掺杂方法提高TiO2光催化效应的协同作用机制.     

光激励下的半导体纳米材料中杂质对超声的吸收研究

研究了在激光场中晶格振动与杂质核相互作用下,具有无限势垒量子阱结构半导体中的超声衰减问题.电子吸收声子不能从受体杂质能"带"跃迁到第一量子能级导带,但在高频激光场中却会发生,激光场补充电子跃迁吸收声子所需能量.对总超声吸收系数进行了推算,并将此结果应用到纳米砷化镓(GaAs/AlGaAs)量子阱样品中,发现其总吸声系数比相应的传统物质的吸收系数大得多.     

热膨胀对固体能带结构的影响

以体心立方结构为例, 利用紧束缚理论, 讨论了热膨胀对固体能带结构的影响, 具体计算了体心立方晶格的1S能带和2S 能带. 结果表明: 随着温度的上升, 热膨胀将使固体的晶格常数发生变化, 使得1S 和2S 的能带中心和能带动边缘产生移动, 从而对各能带的宽度和两带之间的禁带宽度都产生影响. 所得结论能较好地说明锂金属的部分实验结果.     

锐钛矿型TiO2空位缺陷性质的第一性原理研究

近年来运用减小TiO2禁带宽度的方法来提高TiO2的活性在实验上被广泛研究。本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法研究了锐钛矿相TiO2点空位缺陷性质和在具有点空位缺陷情况下的晶体结构、能带结构与态密度状况。分析发现缺陷使晶体结构发生畸变;近邻缺陷氧原子有靠近氧空位而远离钛空位的趋势,而近邻缺陷钛原子有靠近钛空位而远离氧空位的趋势;氧空位缺陷使费迷能级升高大约2．6eV而钛空位缺陷使费米能级降低,并在价带顶部产生一个与价带顶能量相差约0．25eV的杂质能级。结果表明,氧空位使导带变宽是n型杂质而钛空位使导带变窄是P型杂质,氧空位附近多余电子的主要贡献在价带,引起电荷布居数变化并改变了晶体中电子局域化运动的性质。     

钆、镉共掺纳米TiO_2光催化剂的合成及其光催化性能研究

以钛酸四正丁酯、硝酸钆和硝酸镉为原料,采用溶胶-凝胶法合成了Gd和Cd共掺杂型纳米TiO2光催化剂,借助X-射线粉末衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)及UV-vis等测试手段对样品进行了表征,并以罗丹明B为模型污染物考察了掺杂量对样品光催化活性的影响规律。XRD分析表明,所得粉体均为锐钛矿相纳米TiO2,且Gd和Cd共掺后随着掺杂量的增加,纳米TiO2特征衍射峰宽化,强度降低;UV-vis光谱分析表明,适量钆(0.2%)掺杂使得催化剂在400～600nm的可见光区域对光响应,而在Gd掺杂的基础上掺杂Cd后,催化剂在紫外光区及400～600nm的可见光区吸收显著增强,对光具有更高的利用率;光催化实验表明,钆和镉掺杂对纳米TiO2光催化活性有显著的影响,当钆和镉掺杂量为0.2%、0.3%时其光催化活性最好。     

CdS/TiO2复合纳米管制备和光催化性能的研究

采用阳极氧化法在纯钛箔上制备TiO2纳米管,再通过连续离子层沉积法在TiO2纳米管上沉积CdS粒子,沉积3层CdS后,进行退火处理,退火后再沉积3层CdS.利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对纳米管的形貌、物相结构和元素价态等特性进行分析.结果表明:经阳极氧化法制备的TiO2纳米管为锐钛矿结构,随后沉积的CdS同时出现了立方相与六方相晶格结构,400℃退火可以显著增加立方相CdS的结晶程度;纳米管中CdS粒子的直径均小于5 nm,CdS粒子由一大一小2个纳米粒子组成,大粒子由退火过程形成.光催化实验表明:经过退火处理的CdS/TiO2复合纳米管的可见光光催化能力约是未退火样品的3倍,说明退火处理可以有效提高TiO2可见光光催化能力.     

多价硫掺杂二氧化钛的制备及可见光催化性能

采用低温水热法制备了多价硫(S4+/S0)掺杂的二氧化钛催化剂(S-TiO2),运用低温氮吸附、X射线粉末衍射、紫外可见漫反射光谱和X射线光电子能谱等技术对催化剂进行了表征,并以可见光催化降解丙酮作为模型反应考察其可见光催化活性.结果表明,与TiO2相比,S-TiO2催化剂的BET比表面积大、孔径分布集中、光谱吸收边红移、锐钛矿向金红石的相转化被抑制,具有较高的可见光催化活性.