TiO2半导体双掺杂与其表面吸附性质的第一性原理研究

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1、重庆师范大学硕士学位论文TiO2半导体双掺杂与其表面吸附性质的第一性原理研究硕士研究生：岳远霞指导教师：冯庆教授学科专业：凝聚态物理学所在学院：物理与电子工程学院重庆师范大学二O一四年三月万方数据ChongqingNormalUniversityMasterThesisFirst-principlesstudyofdoubleionsdopedTiO2andsurfaceadsorptionpropertiesMaster:YueyuanxiaDissertationSupervisor:Prof.F

2、engQingSpecializedsubject:CondensedMatterPhysicsCollege:CollegeofPhysicsandelectronicengineeringChongqingNormalUniversityMarch,2014万方数据重庆师范大学硕士学位论文中文摘要TiO2半导体双掺杂与其表面吸附性质的第一性原理研究摘要TiO2以其价廉、无毒、较高的稳定性及光催化率等优点成为一种较理想的光催化材料。但是它的禁带宽度较宽，对可见光的利用率很低。目前来说，对二氧化钛进行

3、有效的掺杂是一种提高其光催化率的有效手段。本文分别计算了锐钛矿型二氧化钛材料的掺杂性质和锐钛矿型二氧化钛（101）表面吸附NO分子的性质。首先，通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法，计算了Mn掺杂、N掺杂、Mn-N共掺杂TiO2晶体的能带、态密度、分态密度和光学性质。通过对比Mn掺杂、N掺杂、Mn-N共掺杂，发现单一N掺杂能有效的使TiO2的禁带宽度从3.2eV减小到2.83eV，而单一Mn掺杂在禁带中产生了三条杂质能级，减小了电子从价带往导带跃迁的能量，Mn-N共掺杂锐钛矿TiO2晶体后，费米能

4、级偏离价带向导带方向移动，既在价带顶部形成杂质能级，又减小了禁带宽度，电子从杂质能级跳跃到导带仅需要2.1eV（对应波长为590nm）的能量，该能量恰好对应光吸收谱中的吸收峰，相比与单一掺杂，更加有效的利用了可见光。其次，通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法，计算了Mn-N共掺杂、Mn-C共掺杂、Mn-S共掺杂TiO2晶体的能带、态密度、分态密度和光学性质。通过对比Mn-N共掺杂、Mn-C共掺杂、Mn-S共掺杂可知，这三种掺杂都在一定程度上改善了锐钛矿型二氧化钛对可见光的利用率，但Mn-C相比于另

5、外两种掺杂来说，对可见光的响应效果更好，电子从杂质能级跳跃到导带需要1.94eV能量，该能量恰好对应吸收谱中吸收峰。并且Mn-C共掺杂对可见光的的吸收率，反射率都远高于其它两种掺杂体系。同时用基于密度泛函理论的平面超软赝势方法对单N、C、S掺杂以及C-N共掺、C-S共掺、N-S共掺TiO2的超晶胞进行电子性质和光学性质的计算，包括能带结构、电子态密度、介电函数、吸收光谱和反射光谱等。这六种掺杂体系均在一定程度上改善了二氧化钛对可见光的响应。其中双掺杂比单掺杂在提高二氧化钛光催化率方面效果更明显。C-S

6、共掺杂的TiO2对可见光的响应度在几种掺杂体系中更高。另外在高能区，含有C元素的双掺杂TiO2体系对可见光的催化效率相比其它几种掺杂体系更好一些。在低能区，含有N元素的双掺杂TiO2体系相比其他几种掺杂体系对可见光的催化效率更高一些。I万方数据重庆师范大学硕士学位论文中文摘要然后，通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法，计算了非金属元素C,N，F掺杂锐钛矿型二氧化钛之后的缺陷形成能与电子性质。计算结果表明：三种元素掺杂进入二氧化钛以后缺陷形成能的大小排序为C>N>F，说明F元素最容易掺杂进入二氧化钛

7、晶格。但是掺入F元素后对二氧化钛禁带宽度的改变不大，也就是在提高二氧化钛对可见光的响应度方面F元素的效果不如N，C两种元素。综合这两种情况，对于掺杂来改善二氧化钛对可见光的响应方面，N元素比C，F的效果更好。最后，采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了锐钛矿TiO2(101)表面吸附NO分子的稳定结构以及吸附后表面电子性质和光学性质，分析发现：NO分子在完整二配位O的表面实质是不容易吸附的，而在含有O空位缺陷的锐钛矿TiO2(101)表面容易发生吸附，高浓度O空位有助于NO在表面的吸附；有O空

8、位的TiO2(101)表面能吸收低能区的可见光，含有O空位缺陷的TiO2(101)表面吸附NO气体后对低能区可见光的吸收效果减弱。关键词：TiO2，第一性原理，电子结构，光学性质，掺杂，表面吸附II万方数据重庆师范大学硕士学位论文英文摘要First-principlesstudyofdoubleionsdopedTiO2andsurfaceadsorptionpropertiesABSTRACTTiO2isdeemedtogoodmaterialforp