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Mn,N共掺杂对锐钛矿相tio2微观结构和性能的影响

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物理学报 2011年第8期60卷 561-570页

作者：张学军柳清菊邓曙光陈娟高攀湖南城市学院物理与电信工程系益阳413000 云南大学物理科学与技术学院云南省纳米材料与技术重点实验室昆明650091 湖南工程职业技术学院信息工程系长沙410151

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相tio2的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相tio2后,tio2晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于... 详细信息

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相tio2的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相tio2后,tio2晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于光生电子-空穴对的有效分离;在tio2带隙中出现了杂质能级,使锐钛矿相tio2的光学吸收带边红移,可见光区的吸收系数明显增大,有利于光催化效率的提高;在不考虑杂质能级的情况下,与纯tio2相比,Mn,N共掺杂锐钛矿相tio2带边的氧化还原势只有微小的变化.这些结果很好地解释了Mn,N共掺杂tio2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.

关键词：锐钛矿相tio2 第一性原理 Mn和N共掺杂光催化性能

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掺杂锐钛矿相tio2的第一性原理研究

掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

作者：吴国浩河北大学

学位级别：硕士

锐钛矿相tio2由于具有许多良好的性能，如光催化性、超亲水性、抗菌性等，在环境净化、太阳能电池和光电催化方面拥有广阔的应用前景，是一种优异的半导体光催化剂。但是锐钛矿相tio2禁带宽度较大，导致其对太阳光利用率很低，严重限制... 详细信息

锐钛矿相tio2由于具有许多良好的性能，如光催化性、超亲水性、抗菌性等，在环境净化、太阳能电池和光电催化方面拥有广阔的应用前景，是一种优异的半导体光催化剂。但是锐钛矿相tio2禁带宽度较大，导致其对太阳光利用率很低，严重限制了其广泛应用。研究表明，掺杂是一种有效的方法。本文采用计算机模拟计算，利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对Bi、P、Hg替位单掺杂tio2和Bi-N、W-S、Fe-S、Mn-S替位共掺杂锐钛矿相tio2电子结构和光学性质进行了模拟计算，并对结果进行了分析。研究发现Bi掺杂锐钛矿相tio2后，禁带中引入了杂质能级，禁带宽度略微变大，在可见光区域吸收出现明显增强;P掺杂锐钛矿相tio2后，在禁带之内引入了孤立的杂质能级，禁带宽度增大，并随着P掺杂浓度的提高而增大，吸收带边蓝移程度逐渐增大;Hg掺杂锐钛矿相tio2后，禁带中引入了杂质能级，Hg-tio2带隙增大，Hg/Ov-tio2带隙减小，分别出现蓝移和红移。研究发现Bi-N共掺杂锐钛矿相tio2后，禁带宽度增大，禁带中出现了杂质能级，在可见光区域吸收增强;W-S共掺杂锐钛矿相tio2后,在禁带中出现杂质能级，禁带宽度的明显增大，吸收带边蓝移;Fe-S共掺杂锐钛矿相tio2后，禁带宽度变窄，禁带中引入了杂质能级，吸收带边出现红移，可见光区域吸收明显增强;Mn-S共掺杂锐钛矿相tio2后，禁带宽度略微变大，禁带中引入了两条杂质能带，在可见光区域出现明显增强。

关键词：第一性原理锐钛矿相tio2 替位掺杂电子结构光学性质

Cr、Mn掺杂锐钛矿相tio2的第一性原理研究

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重庆师范大学学报（自然科学版） 2011年第2期28卷 65-69页

作者：王渭华冯庆重庆师范大学物理与电子工程学院光学工程重点实验室重庆400047

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的方法,研究了纯锐钛矿相tio2、Cr、Mn单掺杂tio2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质。对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与... 详细信息

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的方法,研究了纯锐钛矿相tio2、Cr、Mn单掺杂tio2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质。对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与价带相距大约0.65 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Mn原子的3d轨道杂化形成;Cr掺杂引起杂质能带位于导带底附近,杂质能带最高点与导带相距大约0.1 eV,而最低点与价带相距大约1.3 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Cr原子的3d轨道杂化形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿tio2的禁带宽度变小。对光学性质分析发现:Cr、Mn单掺杂会使锐钛矿tio2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,Cr掺杂吸收峰对应能量为1.92 eV,Mn掺杂吸收峰对应能量为1.82 eV,与实验结果相符。

关键词：锐钛矿相tio2 第一性原理密度泛函理论 Cr、Mn单掺杂

锐钛矿相tio_2中P掺杂浓度与电子结构的关系

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中国有色金属学报 2013年第7期23卷 1996-2002页

作者：郑树凯吴国浩苏杰康健楠刘磊河北大学电子信息工程学院保定071002 河北大学计算材料研究中心保定071002

利用基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面波方法对不同浓度P替位Ti掺杂锐钛矿相tio2的晶格参数、P电荷布居、能带结构、态密度和吸收光谱进行计算。计算结果表明:随着P掺杂浓度的增加,锐钛矿相tio2的晶胞体积逐渐减小,但掺杂P原... 详细信息

利用基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面波方法对不同浓度P替位Ti掺杂锐钛矿相tio2的晶格参数、P电荷布居、能带结构、态密度和吸收光谱进行计算。计算结果表明:随着P掺杂浓度的增加,锐钛矿相tio2的晶胞体积逐渐减小,但掺杂P原子的电荷布居数基本没有变化;同时禁带宽度逐渐增大,并在价带顶附近引入了掺杂能级,费米能级进入导带,使tio2呈现半金属特性。随着掺杂浓度的增大,掺杂tio2在可见光区域吸收逐渐增强,同时吸收带边蓝移程度逐渐增大。本研究中P掺杂锐钛矿相tio2禁带宽度的计算结果与实验获得的随P掺杂浓度的提高tio2禁带宽度增大相一致。

关键词：锐钛矿相tio2 P掺杂第一性原理电子结构

N,Co共掺杂锐钛矿相tio_2光催化剂的第一性原理研究

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物理学报 2013年第1期62卷 369-376页

作者：张学军张光富金辉霞朱良迪柳清菊湖南城市学院通信与电子工程学院益阳413000 云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室昆明650091

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相tio2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后tio2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在tio2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到... 详细信息

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相tio2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后tio2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在tio2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高tio2的光量子效率;与纯tio2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相tio2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后tio2的强氧化还原能力得以保持.

关键词：锐钛矿相tio2 第一性原理 N Co共掺杂微观机理

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P掺杂锐钛矿相tio_2的第一性原理计算

物理学报 2013年第4期62卷 86-92页

作者：郑树凯吴国浩刘磊河北大学电子信息工程学院河北大学计算材料研究中心保定071002

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti,P替位O,间隙P)的锐钛矿相tio2的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算.结果表明,P替位Ti时,tio2体积减小,P替位O和间隙P的存在使tio2的体积膨胀;替位T... 详细信息

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti,P替位O,间隙P)的锐钛矿相tio2的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算.结果表明,P替位Ti时,tio2体积减小,P替位O和间隙P的存在使tio2的体积膨胀;替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化,而替位O的P带有负电荷.三种P掺杂形式均导致锐钛矿相tio2禁带宽度的增大,并在tio2禁带之内引入了掺杂局域能级.P掺杂导致tio2禁带宽度增大的程度依次为:间隙P>P替位Ti>P替位O.吸收光谱的计算结果表明,P替位Ti并不能增强tio2的可见光吸收能力,但间隙P的存在大幅提高了tio2的可见光光吸收能力,间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相tio2光催化活性的重要原因.

关键词： P掺杂锐钛矿相tio2 第一性原理

非金属对锐钛矿相tio_2电子结构和光学性质掺杂效应的第一性原理计算（英文）

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稀有金属材料与工程 2015年第7期44卷 1568-1574页

作者：赵宗彦赵响易娟柳清菊昆明理工大学云南昆明650093 云南大学纳米材料与技术高校重点实验室云南昆明650091

采用基于密度泛函理论超软赝势平面波方法的第一性原理计算了纯锐钛相Ti O2和非金属(B,C,N,F,P,S,Cl)掺杂体系的晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,非金属掺杂后由于晶格常数、键长、原子电荷分布的变化导致Ti O2的八面体偶... 详细信息

采用基于密度泛函理论超软赝势平面波方法的第一性原理计算了纯锐钛相Ti O2和非金属(B,C,N,F,P,S,Cl)掺杂体系的晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,非金属掺杂后由于晶格常数、键长、原子电荷分布的变化导致Ti O2的八面体偶极矩增大,这对光生电子-空穴对的分离是十分有利的。由掺杂物的p电子态与O的2p电子态、Ti的3d电子杂化而形成的杂质能级的存在使大多数掺杂体系的带隙减小,从而使Ti O2的基本吸收带边红移到可见光区。根据理论结果,系统分析和比较了非金属对锐钛矿相Ti O2电子结构和光学性质的掺杂效应,同时非金属掺杂对Ti O2光催化材料在可见光激发下的作用也得到了分析。计算结果解释了部分非金属掺杂可以使锐钛矿相Ti O2在可见光激发下具有较高光催化活性的原因。

关键词：锐钛矿相tio2 非金属掺杂光催化活性第一性原理计算

S、Mn共掺杂锐钛矿相tio_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

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功能材料 2013年第1期44卷 22-27,31页

作者：朱良迪张瑾朱忠其柳清菊云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室云南昆明650091

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相tio2,S、Mn分别单掺杂及共掺杂tio2的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明,掺杂后tio2的晶格发生畸变,原子间的键长、原子的电荷量... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相tio2,S、Mn分别单掺杂及共掺杂tio2的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明,掺杂后tio2的晶格发生畸变,原子间的键长、原子的电荷量以及晶体体积都发生变化,导致晶体中八面体偶极矩增大,从而有利于光生电子-空穴对的分离;S掺杂在tio2的价带顶部形成杂质能级,Mn掺杂在tio2的导带下方和费米能级附近形成杂质能级,共掺杂后tio2禁带宽度变窄,光学吸收带边发生红移,tio2在可见光区有明显的吸收;同时S、Mn共掺杂后tio2的带边位置发生了明显变化,氧化还原能力增强。

关键词：锐钛矿相tio2 S、Mn共掺杂第一性原理

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V掺杂锐钛矿相tio_2的光吸收特性

物理化学学报 2010年第5期26卷 1401-1407页

作者：徐凌唐超群黄宗斌华中科技大学物理学院武汉430074

使用V2O5和乙醇作为V掺杂tio2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相tio2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相tio2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红... 详细信息

使用V2O5和乙醇作为V掺杂tio2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相tio2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相tio2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红移效果最明显.此外,运用第一性原理,对V掺杂锐钛矿相tio2的电子结构进行了研究,并运用能带结构理论对实验现象进行了解释.研究中发现:在V掺杂锐钛矿相tio2后,随着V浓度的增加,tio2的禁带宽度逐渐减小,光谱响应范围扩大,能提高它的可见光响应;但是由于掺杂后价带与导带比较接近,容易形成新的空穴-电子复合中心,以及导带区域V3d轨道上电子与Ti3d轨道上的电子强关联作用也会降低电子的还原性,所以V浓度的增加会使tio2的光催化性能降低.理论上计算出在V掺杂浓度为6.25%(摩尔分数)时,tio2的光吸收边红移最大,与实验得到的变化趋势相吻合.

关键词： V掺杂锐钛矿相tio2 能带结构吸收光谱