摻雜二氧化鈦的電子結構和光學特性的第一性原理研究.pdf

1、銳鈦礦型二氧化鈦(TiO2)是一種非常理想的半導體光催化劑,由于具有催化活性高、穩(wěn)定性好、對人體無毒、成本低等優(yōu)點被廣泛用于環(huán)境保護和能源再生等領域。然而它的禁帶寬度較大(3.2eV),只有波長小于387nm的紫外光才能使TiO2產(chǎn)生光催化作用。而占太陽光能約43％的可見光得不到充分利用。為了有效的利用太陽能,本文采用基于密度泛函理論的第一性原理研究了幾種離子摻雜在改進TiO2可見光響應方面的作用。
　　首先,研究了N-B共摻雜T

2、iO2的幾何結構、電子結構和光學特性。選取了三種不同的摻雜結構,即NsBi(N替位O,B填隙)、NsBs(N、B雙替位O)和NiBi(N、B雙填隙)共摻結構。采用GGA方法對幾何結構進行優(yōu)化,然后采用GGA+U的方法對N-B共摻的TiO2的電子結構和光學特性進行了計算,我們發(fā)現(xiàn)三種共摻結構都能產(chǎn)生帶隙態(tài),但是只有NsBi共摻結構能產(chǎn)生可見光吸收,而且可見光吸收與摻雜原子之間的距離有關系,當N和B原子之間的距離較近時,可見光吸收強度很弱,

3、隨著距離的增大,吸收強度明顯增強。結合電子態(tài)密度與介電函數(shù)虛部的結果,我們可以得出此可見光學躍遷歸因于N的2p態(tài)到Ti的3d態(tài)之間的躍遷。
　　其次,采用同樣的方法研究了C-N共摻TiO2的電子結構和光學特性。采用GGA和GGA+U方法分別計算了純TiO2的能帶結構,結果表明GGA+U能有效的改進TiO2的帶隙。與純的TiO2相比,C、N單摻雜和C-N共摻后的帶隙均減小,而且共摻所導致的帶隙減小程度要大于單摻雜的情況。從光學特性看

4、,三種摻雜體系的帶邊均發(fā)生了紅移,并且在450-800nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了吸收,C-N共摻TiO2的吸收強度要優(yōu)于C和N單摻雜的情況,也就是說C和N共摻雜的時候出現(xiàn)了協(xié)同效應。根據(jù)計算結果,我們可以得出C-N共摻TiO2的可見光學躍遷歸因于N和C雜化的2p態(tài)到Ti的3d態(tài)之間的躍遷。
　　最后,我們采用GGA的方法計算了Cu、Ag和Au摻雜TiO2的電子結構和光學特性。Cu,Ag和Au摻雜后會在TiO2禁帶中不同位置處產(chǎn)生帶隙態(tài),三種