外加電場(chǎng)對(duì)TiO2及摻雜TiO2(001)表面電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能影響的DFT研究.pdf

1、TiO2光催化經(jīng)過(guò)了多年的研究和發(fā)展，雖然已經(jīng)取得很大的成績(jī)，但是由于太陽(yáng)光利用率低，還是沒(méi)有在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，如何將TiO2的光催化能力從紫外區(qū)拓展到可見(jiàn)光區(qū)域仍然是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。半導(dǎo)體電助光催化技術(shù)一方面能夠通過(guò)外加電場(chǎng)促進(jìn)光生電子與空穴的分離從而達(dá)到提高光催化技術(shù)處理效率;另一方面，由于電場(chǎng)作用產(chǎn)生Franz—Keldysh效應(yīng)，光吸收邊加寬，并發(fā)生紅移，太陽(yáng)光利用率提高，更有利于光催化反應(yīng)。在光催化反應(yīng)中，

2、光生電子—空穴的復(fù)合以及太陽(yáng)光利用率低一直是限制光催化效率的主要因素，光電催化為解決這兩個(gè)難題提供了一個(gè)可行的方向，有望成為最有前途最實(shí)用的催化技術(shù)。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理研究了外加電場(chǎng)對(duì)體相TiO2、TiO2(001)、C摻雜TiO2(001)以及Cr摻雜TiO2(001)電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響，主要研究結(jié)果如下:
　　(1)z方向電場(chǎng)作用下體相TiO2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。隨著電場(chǎng)從0 V/(A)增加到0.2

3、5 V/(A)，能隙逐漸減小到0eV，導(dǎo)帶向費(fèi)米能級(jí)方向移動(dòng)，所有的能級(jí)變寬。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大到0.28 V/(A)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，Z方向的Ti-O斷開(kāi)。未加電場(chǎng)時(shí)，在近紫外區(qū)域(100nm至380 nm)TiO2的光吸收較好，而在可見(jiàn)光(380nm至650nm)區(qū)域TiO2的光吸收相對(duì)較差。在外加電場(chǎng)的作用下，TiO2的吸收范圍擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)域，并且在可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收強(qiáng)度增加。
　　(2)外加電場(chǎng)作用下TiO2(00

4、1)表面的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從0V/(A)增加到0.3 V/(A)，價(jià)帶向費(fèi)米能級(jí)方向移動(dòng)，電子的活性增大，在近紫外區(qū)域的光吸收增強(qiáng)，但是吸收邊沒(méi)有發(fā)生紅移，在近可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的光吸收隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減弱。
　　(3)外加電場(chǎng)作用下C摻雜TiO2(001)表面的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。隨著C的摻雜，在禁帶區(qū)域中引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，能帶帶隙減小，導(dǎo)致光吸收向可見(jiàn)光區(qū)域移動(dòng)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從0 V/(A)增加到0.08V/(A

5、)，價(jià)帶向費(fèi)米能級(jí)方向移動(dòng)，C-TiO2(001)對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)性增加，發(fā)生光電效應(yīng)的幾率增加，在近紫外區(qū)域的光吸收增強(qiáng)，在可見(jiàn)光中的光學(xué)性能也有所增強(qiáng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.06V/(A)時(shí)，可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收最佳。
　　(4)外加電場(chǎng)作用下Cr-TiO2(001)表面的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。隨著Cr的摻雜，在禁帶區(qū)域中引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，導(dǎo)帶底向費(fèi)米能級(jí)靠攏，能帶帶隙減小，導(dǎo)致光吸收邊發(fā)生紅移。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從0V/(A)增加到0.3V