盆烯分子與N摻雜銳鈦礦型TiO-,2-體系所致的禁帶寬度變窄現(xiàn)象的第一性原理研究.pdf

1、本論文首先介紹了計(jì)算機(jī)分子模擬，以及計(jì)算機(jī)分子模擬下的材料計(jì)算的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。接著介紹了我們實(shí)驗(yàn)室的分子模擬軟件(Materiales Studio簡(jiǎn)稱MS)，并對(duì)該軟件進(jìn)行了說明，以及對(duì)本文工作中用到的兩個(gè)計(jì)算模塊(CASTEP和Dmol<'3>)的功能和使用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。接著敘述了凝聚態(tài)物理學(xué)中傳統(tǒng)的單電子近似理論(HFA)，以及這一問題的更嚴(yán)格、更精確的描述——單電子近似的近代理論(DFT)，以及在這一理論框架下的第一性原理的

2、材料計(jì)算方法。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)工作，選擇了本論文研究的材料體系。使用第一性原理計(jì)算方法對(duì)盆烯分子和銳鈦礦型TiO<,2>摻N體系進(jìn)行了研究。 基于密度泛函理論的廣義梯度近似(GGA)算法研究了盆烯分子C<,3n>H<,2n>(n是基底碳環(huán)上碳原子的個(gè)數(shù)n=3～12)的幾何結(jié)構(gòu)和電子特性，結(jié)果表明當(dāng)n=3～8時(shí)可以形成盆形結(jié)構(gòu)，n=9、10時(shí)分子變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)，且對(duì)稱群均為C<,nv>。n=11、12分子趨于鞍形。此外還研究了它的

3、結(jié)合能、能隙、HOMO(Highest occupied molecular orbital)和LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)等，表明這種分子是穩(wěn)定的，平面結(jié)構(gòu)是這種分子最穩(wěn)定的構(gòu)型。且分子的還原能力隨著n的增大越來越弱，氧化能力逐漸增強(qiáng)。 采用基于第一性原理的超軟贗勢(shì)方法，研究了本征銳鈦礦型TiO<,2>和不同量N摻雜所形成的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO<,2-x>N<,x>合金的電子

4、結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明N的摻雜導(dǎo)致TiO<,2>晶體的禁帶寬度減小，發(fā)生了紅移現(xiàn)象。并且隨著N摻入量的不斷增加，TiO<,2-x>N<,x>合金的禁帶寬度單調(diào)減小。研究發(fā)現(xiàn)：摻雜前O 2p態(tài)電子決定價(jià)帶頂?shù)奈恢?，且態(tài)密度隨N的含量的改變發(fā)生了稍微的變化。在價(jià)帶中N 2p態(tài)電子比O 2p電子的能量位置要高，摻雜后N 2p態(tài)的電子決定價(jià)帶頂?shù)奈恢?，且隨摻雜量的增大N 2p態(tài)的高能端向短波方向發(fā)生了的移動(dòng)。Ti 3d態(tài)電子決定導(dǎo)帶底的位置，并隨N