金紅石結構TiO2物理性質的第一性原理研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種非常重要的寬禁帶半導體材料,其具有多種晶型:比如常壓下金紅石相(Rutile)、銳鈦礦相(Anatase)、板鈦礦相,以及高壓下鈮鐵礦相(columbite)、斜鋯石相(badddeyite)和氯鉛礦相(cotunnitc)。TiO2具有催化活性高、穩(wěn)定性好、對人體無毒、成本低等特點,是一種非常理想的半導體光催化劑,在能源材料、微電子以及環(huán)境保護等方面具有潛在的廣闊應用前景。因而,近年來人們對于TiO2材料的物

2、質結構、制備方法、物理化學性質等進行了廣泛而深入的研究。
　　 首先,我們研究并計算了二氧化鈦(TiO2)在平衡狀態(tài)下的各種結構和數據,例如原胞的晶格常數、彈性模量和此彈性模量下所對應的壓強的一階導數,利用的方法是基于平面波贗勢密度泛函理論的第一性原理。計算數據表明:計算的結果與實驗值和其他人所得出的理論值符合的比較好。為了確定金紅石相二氧化鈦穩(wěn)定結構以便更好地研究其他性質,我們利用MaterialStudio程序下的CASTE

3、P軟件[1]擬合了體積和能量關系,首先,在0.664和0.594之間,c/a每隔0.001取一個值,在固定的c/a下,擬合獲得了不同的體積和相應的能量,然后,我們在一系列的體積和能量曲線中找到了能量最低點,即當c/a等于0.643時具有最穩(wěn)定的狀態(tài)。在計算中我們發(fā)現了二氧化鈦的體積隨溫度和壓強的關系,得出壓強一定時,在高溫下TiO2更容易被壓縮的結論。
　　 其次,我們計算和總結了二氧化鈦(TiO2)的熱力學的性質,得到了彈性模

4、量、熱膨脹系數、德拜溫度和熱容等等各種二氧化鈦(TiO2)的各種參數隨著溫度和壓強的變化而變化的關系。對于金紅石相的二氧化鈦來說,熱容隨著溫度的升高而增加,在壓強和溫度都比較大的情況下,由于非諧德拜效應的影響,熱容量趨近于一個極限值即為Dulong-Petit極限值9NAkB,大小約為74.85J·mol-1·K-1。我們發(fā)現熱容隨著壓強的增大而逐漸減小,德拜溫度隨著壓強的增加而逐漸增大。對于金紅石相的二氧化鈦的熱膨脹系數,在溫度較低的