TiO2晶體中缺陷性質的第一性原理研究.pdf

1、TiO2晶體中缺陷性質的第一性原理研究重慶大學碩士學位論文學生姓名：林長芳指導教師：王新強教授專業：凝聚態物理學科門類：理學重慶大學數理學院二OO八年四月重慶大學碩士學位論文中文摘要I摘要二氧化鈦(TiO2)是目前研究的最廣泛的光催化材料，特別是作為環境凈化的光催化劑，具有無毒、化學惰性、廉價、穩定和高效等優異特點，使得TiO2成為最受歡迎的光催化材料。然而，作為寬帶隙半導體TiO2只能對太陽光中約占3%的紫外光的照射有響應，太陽能的利

2、用率很低。通過摻雜對TiO2進行帶隙調控，從而獲取可以響應可見光(約占太陽光的45%)的TiO2基可見光光催化劑一直是人們努力的目標。因此，摻雜改性TiO2在可見光吸收和光催化性能等方面成為國內外學術界關注的焦點。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，采用CASTEP程序，在局域密度近似下，計算了銳鈦礦相TiO2晶體及其存在缺陷時的電子結構，并分析了其能帶結構、費米能級和軌道上電荷的占據數情況，得出如下結論：1本征銳鈦礦相TiO2是

3、一種寬帶隙半導體。從能帶圖和態密度圖中可以得出TiO2的價帶主要是由Ti的3d軌道上的電子與O的2p軌道上的電子雜化作用形成，還可以從中看出O的p電子與Ti的p、d電子對費米能級附近的能帶貢獻較大。2具有氧空位缺陷的銳鈦礦相TiO2為n型導電，存在鈦空位缺陷時為p型導電。結構變化及電荷布居數分析都表明，存在氧空位時，氧空位周圍的氧原子負電性增強；而存在鈦空位時，鈦空位使其周圍的鈦原子正電性增強。3在對N、S和C替代O原子摻雜銳鈦礦相Ti

4、O2晶體的電子結構進行了研究中，發現這三種非金屬元素的摻雜均會在不同程度上使銳鈦礦相TiO2晶體的費米能級向上移動從而導致體系的帶隙變小，有利于提高TiO2晶體對太陽光的有效吸收率。其中，在N摻雜后銳鈦礦相TiO2中，發現N原子中的N2p軌道與價帶中的O2p軌道雜化在一起后，在靠近價帶上邊沿的帶隙中產生了一個雜質能級，這個雜質能級是半填充的，因此其不但可以與價帶發生電子躍遷，而且使得費米能級向導帶方向移動，從而使得TiO2的有效禁帶寬度

5、變小。在S摻雜后的銳鈦礦相TiO2體系中，TiO2xSx是一個直接帶隙半導體。這一特征將有利于其對可見光的有效吸收。對TiO2xSx的電子結構分析表明，其有效禁帶寬度相對于未摻雜時有所減小，這是由于S3p和O2p軌道相互作用形成的雜質態在價帶上邊沿的出現造成的。在C摻雜后的銳鈦礦相TiO2中，由C2p組成的雜質態的態密度分布在帶隙中產生了兩個峰，這兩個峰分別位于帶隙中靠近價帶頂和帶隙中部的位置。分態密度分析表明，由于C2p形成的雜質態不