若干新型材料性質、TiO2摻雜改性的理論研究.pdf

1、隨著計算機硬件、軟件技術的高速發(fā)展以及計算理論的日益完善,對材料結構及其理化性質進行計算模擬已逐漸脫離對物化實驗的依附,成為一門獨立的交叉學科。本論文簡單介紹了計算材料學的發(fā)展和基于密度泛函理論的第一性原理材料計算方法的理論基礎;并采用這種理論計算方法研究了幾種新型材料的結構性質、電子結構和光學性質,以及材料中摻雜改性的機理。本論文主要包括以下幾方面內容:
　　 一、利用第一性原理研究了贗立方結構IVA族砷化物的電子結構和光學性

2、質。IVA-V族化合物在各個領域具有應用價值,因此長期以來一直受到廣泛關注。例如C3N4是一種超硬材料,實際應用在磨擦磨損領域;Si3N4具高電阻率,耐高溫,機械性能好等優(yōu)良特性。迄今為止,人們拓展了IVA-V族化合物的研究領域,相繼有文獻報道了關于IVA族磷化物的電子結構、以及光學性質的研究成果。近來,Hu等人進一步報道了新型IVA族砷化物的理論研究工作:其結果表明具有3∶4化學計量比的IVA族砷化物可以贗立方結構穩(wěn)定存在。在此基礎上

3、,本論文進一步計算了贗立方結構X3As4(X=Si,Ge,Sn)的能帶結構、態(tài)密度、介電常數(shù)譜和能量損失譜等。根據(jù)計算結果,Si3As4、Ge3As4和Sn3As4均為間接帶隙型半導體。價帶項和導帶底主要是Xnp-As4p的雜化軌道。三種X3As4化合物在光學性質方面幾乎不存在各向異性。隨著IVA族X原子序數(shù)的增大,X3As4等離子共振頻率、飽和有效價電子數(shù)分別減小和增大。
　　 二、利用基于密度泛函理論的第一性原理平面波贗勢計

4、算方法研究了赤銅礦結構貴金屬氧化物M2O(M=Cu,Ag,Au)的結構,電子結構以及光學性質。計算得到的Cu2O、Ag2O結構參數(shù)與實驗數(shù)值相符。Au2O的晶格常數(shù)與Ag2O相近。Cu2O和Ag2O的能帶結構具有直接帶隙特性,與實際情況相一致;Au2O也可能是半導體材料,其在Γ處的帶隙雖然接近于零,但考慮到DFT計算通常低估材料的帶隙值,真實情況下可能具有更明顯的帶隙。M-O同時具有離子鍵和共價鍵特性。Au-O的離子鍵特性要弱于Cu-O

5、和Ag-O。差分電荷密度圖顯示了原本充滿的Md軌道上出現(xiàn)了空位,Md和Ms,p態(tài)之間發(fā)生了復雜的原子內軌道雜化現(xiàn)象。比起Cu2O和Ag2O,Au5d軌道上的空位數(shù)目要大于Cu3d和Ag4d上的情況;Au2O中的原子內軌道雜化現(xiàn)象可能更為顯著。Au2O介電常數(shù)譜的計算結果可為后繼研究提供理論參考。
　　 三、采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了N摻雜銳鈦礦型TiO2的可見光化機理。TiO2是一種應用很廣泛的光催化材料,具

6、有化學性質穩(wěn)定、活性高、環(huán)保等一系列優(yōu)點;然而由于帶隙能較大,只能工作在紫外波段;對可見光的利用轉換率很低。近年來,多項研究工作證實了N摻雜可以有效地改善TiO2對可見光的響應,但關于N摻雜引起的TiO2可見光化原理目前尚有爭議。本論文分別研究了N晶格取代、間隙N原子兩種摻雜形式對于銳鈦礦型TiO2電子結構、光學性質的影響作用。計算結果表明,晶格取代N的2p電子在TiO2價帶上方引入雜質能級,并且隨著摻雜濃度的增大這些能級的定域性減弱。