半导体晶面诱导电荷空间分离机理的理论研究

作     者：魏政德 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵仪

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：电荷分离 表面能 表面异质结 能带各向异性 

摘      要：半导体晶面效应可以诱导光激发的电子与空穴分别迁移到不同的晶面,减小复合的机会,从而提高电荷分离效率。理解晶面诱导电荷分离的过程可以帮助人们设计出具有高催化活性的光催化剂,但对该电荷分离过程机制的解释还存在很大的争议。针对该争议的问题,本论文采用密度泛函理论计算,选取3种具有代表性的体系TiO2、Cu2WS4和SrTiO3,来研究不同晶面的特性与电荷分离的关系,尝试找出几种解释电荷分离机理之间的联系。获得的主要结果如下:一、表面能的计算结果表明,不同晶面的表面能具有显著差异,且表面能与表面悬键数量成正相关。结合实验上电荷空间分离的结果进一步发现空穴倾向于堆积在具有高表面能的表面,而电子倾向于堆积在相对表面能较低的表面。二、各个晶面的每一层的投影态密度表明,不同的晶面会有不同的能带弯曲情况,从而导致了不同晶面具有不同的价带顶与导带底的能级。这种能级差确实有利于电荷的分离且与实验结果一致,但是这里的能带弯曲的作用范围只有几层原子(约1nm),因此可能作用有限。从表面的能带图与体相投影能带图的对比,可以找出表面态所对应的能带,原子轨道分布计算进一步确认这种表面态只是由表面的原子贡献。三、吸附水分子后,晶面的投影态密度计算结果表明,水分子的吸附对于表面异质结影响很小,并没有改变表面几层原子的能带弯曲情况。四、有效质量的计算结果表明,有效质量沿不同晶面方向的各向异性并不能解释实验上电荷分离现象。从体相能带能量的各向异性中,发现体相能带沿着不同晶面方向能量的各向异性可能是电荷分离的一个重要内在因素。因此,表面异质结和体相能带各向异性两者共同导致了电荷空间分离在不同的晶面上。