摻雜TiO2的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、TiO2是一種具有優(yōu)良物理化學(xué)性質(zhì)的半導(dǎo)體材料,已經(jīng)在防曬類化妝品、殺菌和光催化降解有機物等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用主要是基于TiO2對紫外光的吸收以及銳鈦礦相TiO2的光催化降解原理。為了擴大TiO2的光吸收范圍,增大在可見光下的光催化降解效率,科研工作者嘗試了多種方法,取得了一定的進展,也遇到了一些困難和爭論。基于以上問題,本文應(yīng)用第一性原理計算方法對部分單摻雜和雙摻雜銳鈦礦相TiO2進行了理論計算,并結(jié)合實驗進行分析,得出了相

2、關(guān)的結(jié)論。本文的主要工作包括:
　　首先闡述了TiO2的性質(zhì)、催化原理和最近的研究進展,介紹了第一性原理、密度泛函理論、局域密度近似、廣義梯度近似和CASTEP軟件等基本概念。然后利用CASTEP對C摻雜銳鈦礦相TiO2進行了理論計算,發(fā)現(xiàn)C摻雜后禁帶寬度增大,在帶隙中出現(xiàn)了雜質(zhì)能級,這些能級可以作為光生電子的供體和受體,從而引起可見光的吸收。并且定量計算了摻雜可能引起的吸收邊,與其他工作者的實驗結(jié)果比較吻合,解釋了實驗得到的吸收

3、光譜的物理機理。
　　接著我們計算了V摻雜銳鈦礦相TiO2的電子結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示V摻雜在導(dǎo)帶的底部引入了雜質(zhì)能級,使得禁帶寬度減小,預(yù)測了摻雜前后 TiO2的吸收邊分別是384nm和448nm,吸收峰為294nm,并且摻雜前后吸收峰沒有變化;采用溶膠-凝膠法制備了多種摻雜濃度的TiO2薄膜,發(fā)現(xiàn)摻雜前后吸收峰均為300nm左右,吸收邊紅移大小隨TiO2濃度的增大先增大后減小,在1％處達到最大值。摻雜前后的吸收邊與理論預(yù)測都比較符合,

4、從而說明了光譜與電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。
　　最后我們對幾種雙摻雜TiO2進行了理論研究,先進行了雙摻雜所涉及元素的單摻雜TiO2的理論分析,發(fā)現(xiàn)不同的摻雜對TiO2能帶結(jié)構(gòu)的改變有不同的結(jié)果。接下來我們對雙摻雜作了相應(yīng)的理論計算,發(fā)現(xiàn)摻雜后與摻雜前相比,禁帶寬度都有所減小,在理論上都可以引起光吸收的紅移?？偨Y(jié)出為了達到較好的摻雜效果,雙摻雜應(yīng)該能夠使禁帶寬度減小、增大價帶頂或者導(dǎo)帶底能帶的密度和消除單摻雜引入的深能級。這些因素有利于