11253.雙雜質(zhì)共摻雜銳鈦礦tio2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究

1、重慶師范大學(xué)碩士學(xué)位論文雙雜質(zhì)共摻雜銳鈦礦TiO2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究碩士研究生：周晴指導(dǎo)教師：馮慶教授學(xué)科專業(yè)：凝聚態(tài)物理學(xué)所在學(xué)院：物理與電子工程學(xué)院重慶師范大學(xué)二〇一六年四月重慶師范大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I雙雜質(zhì)共摻雜銳鈦礦TiO2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究摘要二氧化鈦，白色無(wú)毒兩性氧化物，被廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、化妝品等工業(yè)。自70年代起，針對(duì)二氧化鈦的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦具有良好的光、電、磁和電化學(xué)性能。由于其性質(zhì)穩(wěn)定溫

2、和、耗能低，在有機(jī)污染物降解、水分解領(lǐng)域等有著巨大的應(yīng)用潛力。但二氧化鈦的禁帶寬度較寬，作為光催化劑，只能被頻率較大的可見(jiàn)光激發(fā)，對(duì)可見(jiàn)光的利用率較低。因此對(duì)銳鈦礦相TiO2進(jìn)行摻雜，使它的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，拓展其在光催化領(lǐng)域和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的運(yùn)用是諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。以非金屬元素?fù)诫sTiO2為起點(diǎn)，摻雜后TiO2的禁帶寬度減小，吸收光譜和反射光譜發(fā)生紅移，顯著改善了二氧化鈦對(duì)可見(jiàn)光的利用率。之后，研究人員嘗試了金屬元素?fù)诫s、稀

3、土元素?fù)诫s等多種摻雜方式。相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)于雙雜質(zhì)摻雜方法的系統(tǒng)研究較少。因此本文運(yùn)用第一性原理，采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢(shì)方法，系統(tǒng)研究了雙雜質(zhì)摻雜改性后的銳鈦礦相TiO2晶體結(jié)構(gòu)、能帶、態(tài)密度、分態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)變化，主要研究思路和結(jié)論如下：（1）構(gòu)建非金屬雜質(zhì)雙摻模型，以CN、CS、NS三種非金屬元素共摻為例，計(jì)算和分析摻雜后銳鈦礦相TiO2晶體的能帶、態(tài)密度、分態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)變化。旨在研究非金屬雜質(zhì)雙摻對(duì)改善TiO2能光

4、催化作用的效果。結(jié)果表明：此種摻雜方式有效減小了TiO2的禁帶寬度，并產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，減小電子從價(jià)帶往導(dǎo)帶躍遷的能量。（2）選取非金屬元素N與金屬元素共摻TiO2，分別用一個(gè)N原子替代O位，一個(gè)3d過(guò)渡態(tài)金屬Cr或Cu原子取代Ti位，構(gòu)建NCr、NCu非金屬與金屬雙雜質(zhì)共摻TiO2模型。對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果可見(jiàn)，NCr、NCu摻雜的非金屬和金屬元素協(xié)同作用，N的摻入形成了新的雜質(zhì)能級(jí)，金屬4s電子軌道的貢獻(xiàn)形成了摻雜后的局域