锐钛矿高氧空位浓度F'色心吸收光谱的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法计算了3种模型高氧空位浓度不同的锐钛矿晶体的吸收谱带,发现产生F'色心,而不能产生F色心;锐钛矿高氧空位范围内浓度越高,光能量吸收越强;浓度不同的高氧空位锐钛矿形成不同的吸收谱带;锐钛矿晶体的高氧空位浓度不同,F'色心引起的透射光不同,观察得到的颜色不同,和缺陷化学实验中得到的变化趋势相一致.     

第一原理研究LuPO4中氧空位的性质

磷酸结构的晶体在掺杂二价阳离子后容易形成产生焦磷酸结构(P₂O₇) ^4-, 这种含有焦磷酸结构的氧化物材料十分适合做质子导体、燃料电池、气体传感器以及陶瓷膜等。本文利用第一性原理研究了LuPO₄晶体中氧空位的结构性质, 结果显示当氧空位带二价正电时, 会引发氧空位周围原子奇特的畸变, 形成焦磷酸结构。为了解释这种结构畸变的机理, 本文利用过渡态搜索计算了结构变化过程中势能面的变化情况, 正一价氧空位形成焦磷酸 结构需要越过2.4 eV的势垒, 而正二价氧空位形成焦磷酸结构则不需要越过任何势垒, 因此很容易形成焦磷酸 结构。最后给出氧空位不同带电态的晶格结构、电子态密度以及电荷密度分布等基本物理性质, 氧空位处于正二价态结构下, 氧空位附近的P原子与O原子成键, 又由于O原子有较强的电负性, P的s轨道电子向O的p轨道转 移。P的s、p轨道在禁带中出现了与总态密度对应的缺陷能级, 结果表明带正二价氧空位的晶体性质发生了明显变化。     

Mg掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同浓度Mg掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学特性进行理论计算。结果表明,随着Mg掺杂浓度的增大,锐钛矿相TiO2的晶格膨胀程度越大,带隙宽度增大并且吸收边蓝移;不同掺杂浓度下Mg的3s和2p轨道对锐钛矿相TiO2的价带和导带组成贡献较小;在波长约为200⁵95、595595、595⁸00 nm的光区内,Mg掺杂锐钛矿相TiO2的光吸收能力分别减弱和增强。     

W-N共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对W-N共掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度及吸收光谱进行计算。结果表明,W-N共掺杂未改变锐钛矿相TiO2的禁带宽度,仅在TiO2价带顶附近引入N的2p杂质能级,并且掺杂系统的费米能级处于导带之内;W的5d轨道主要对TiO2的价带底下边沿和导带有贡献,N的2p轨道主要对TiO2的价带顶上边沿和禁带内的孤立能级有贡献;W-N共掺杂增强了锐钛矿相TiO2在340~800 nm波长范围内的光吸收能力。     

锐钛矿氧空位与氧空位和碳掺杂两种模型键型转化的理论研究

阐明了电负性理论是经典理论,不能准确判断只有氧空位锐钛矿半导体超胞与取代氧掺碳原子和氧空位同时存在的锐钛矿半导体超胞的成键特征,而共价键和混合键是量子效应问题,用多原子系统的Schrdinger方程或电子密度函数理论能完满解释.因此,所有计算都是基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法.研究只有氧空位锐钛矿TiO2的键型与取代氧掺碳和氧空位共存的锐钛矿TiO2的键型后发现,由共价键向离子键转化趋势的成键特征,纠正了由共价键向共价键转化的错误结论.     

钕掺杂锐钛矿二氧化钛的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波赝势方法（PWPP），使用Material studio4．3中的CASTEP软件对钕掺杂锐钛矿二氧化钛进行第一性原理计算，讨论了钕掺杂对锐钛矿晶体结构、能隙、态密度等的影响。结果显示，钕掺杂可以使晶体的禁带宽度减小，有效提高了锐钛矿二氧化钛的光催化活性。     

钕掺杂锐钛矿二氧化钛的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波赝势方法(PWPP),使用Material studio 4.3中的CASTEP软件对钕掺杂锐钛矿二氧化钛进行第一性原理计算,讨论了钕掺杂对锐钛矿晶体结构、能隙、态密度等的影响。结果显示,钕掺杂可以使晶体的禁带宽度减小,有效提高了锐钛矿二氧化钛的光催化活性。     

金属掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的从头算平面波超软赝势方法,计算了纯锐钛矿相TiO2及5种不同金属掺杂TiO2的晶格常数、能带结构、态密度与光吸收系数。结果表明,掺杂后能级的变化主要是过渡金属Co3d、Fe3d、Zr4d、Zr4p、V3p、V3d、W5d及W5p轨道的贡献。随着Co、Fe、V掺杂浓度的增加,禁带宽度呈减小趋势;Zr掺杂对能带结构几乎不产生影响;W掺杂能级远离禁带,只对价带构成产生了影响。金属掺杂使禁带宽度变化或出现新杂质能级,导致了TiO2吸收边沿红移或在可见光区域出现新的吸收峰;其中Co、Fe掺杂的吸收边沿明显红移,而W掺杂时在可见光区域出现较强的吸收峰。     

非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明掺杂后发生的晶格畸变、原子间的键长及原子的电荷量的变化,导致了晶体中的八面体偶极矩增大,使光生电子-空穴对能有效分离; 掺杂离子的p态电子与O2p态、Ti3d态杂化形成杂质能级、价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些计算结果很好地解释了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.     

SrTiO3材料中氧空位的密度泛函理论

计算了SrTiO3-δ（δ=0，δ=0．125）体系电子结构，分析了氧空位对SrTiO3晶体的价键结构、能带、态密度、分波态密度、差分电荷密度的影响。所有计算都是基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波超软赝势方法。计算结果表明：当氧空位浓度δ=0．125时，空位在母体化合物SrTiO3中引入了大量的传导电子，费米能级进入导带，体系显示金属型导电性。由于空位掺杂，导带底附近的态密度发生了畸变，刚性能带模型不再适合描述SrTiO2.875体系。同时，在导带底附近距离费米能级0．3eV处引入了空位能级，这和实验测得的SrTiO3材料内中性氧空位的电离能约为0．4eV相符。此外，Mulliken布局分析、分波态密度和差分电荷密度分析表明，该空位能级主要由与其最近邻的两个Ti原子的3d电子态贡献，并且由该空位引入的导电电子大部分都局域在空位最近邻的两个Ti原子周围。最后，计算了三种典型平衡条件下SrTiO3晶体内中性氧空位的形成能。     

空位缺陷对ZnNb2O6光电特性影响的第一性原理研究

铌酸盐类物质,如LiNbO3,KNbO3,LnNbO4(Ln=Pr,La,Ga,Y)等,表现出优良的光敏特性,受到广泛关注,但过渡金属类铌酸盐研究较少,其光电特性与空位缺陷的关系尚无深入探讨.基于密度泛函理论第一性原理方法,本研究探讨了空位缺陷对ZnNb2O6体系光电特性的影响.通过对各体系几何结构、电子结构和光电谱的...     

空位对Hf-Ta-C体系的结构、力学性质及电子性质影响的第一性原理研究

本研究理论预测了三元Hf-Ta-C空位有序结构以及空位对力学性质的影响.采用第一性原理进化晶体结构预测软件USPEX,预测得到了5种热力学稳定和3种亚稳的(Hf,Ta)C1–x空位有序结构,这些结构都属于岩盐结构.采用第一性原理方法,计算了(Hf,Ta)C1–x空位有序结构的力学性质,并分析了力学性质随空位浓度的变化....     

S、Mn共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

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,有利于提高光催化效率     

Al掺杂锐钛矿型二氧化钛的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的平面波超软赝势(PWPP)方法,模拟计算了Al掺杂前后锐钛矿相二氧化钛的几何结构、能带结构、态密度分布、光吸收系数等,并与实验结果进行比较。结果表明:高浓度的Al原子掺杂使其禁带宽度变小,光吸收强度显著增强,其电子迁移率、电导率均有所改变。这对半导体内电子和空穴的捕获以及抑制电子/空穴的复合起到了很好的作用。     

金属掺杂改善HfO2阻变存储器(RRAM)氧空位导电细丝性能

本研究采用金属掺杂的方式调控氧空位导电细丝的电子结构以获得更好的器件性能.计算了HfO2体系中四组氧空位的形成能,得到VO4-VO23-VO34-VO46最易形成的氧空位簇;分波电荷态密度进一步表明在[010]晶向上电荷聚集形成导电通道.另外,研究了Ag、Mg、Ni、Cu、Al、Ta、Ti掺杂对该缺陷体系电子结构的影响...     

掺P锐钛矿相TiO2第一性原理计算

采用广义梯度近似处理的全电势线性缀加平面波法计算了掺P锐钛矿相TiO2的电子密度、能带结构和态密度.计算结果表明,P掺杂使锐钛矿相TiO2在费米能级附近出现3条杂质能带,使能带宽度减小,从而有效地提高了TiO2的可见光响应.     

Si表面吸附GaN的第一性原理研究

为了更好地了解Si表面对CaN的吸附,利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了Si(100)和Si(111)弛豫表面分别吸附GaN的电子结构、吸附能大小以及其态密度图.计算结果表明,相对于Si(111)表面,Si(100)表面更容易吸附GaN,在同等实验条件下,在Si(100)表面应更容易沉积GaN薄膜.采用ECR-MOPECVD工艺,于低温下在Si(100)衬底上沉积得到了GaN薄膜,XRD谱图表明该薄膜是一种晶体结构和无定形结构的混合结构.     

高氧空位氧化锌晶体的制备及光催化性能

利用气相沉积法,在低氧气氛下制备高缺陷的ZnO晶体。分别将样品在800℃、900℃、1000℃下通氧退火1h,对ZnO晶体做表面修饰。PL光谱实验和光催化降解亚甲基蓝实验表明ZnO晶体的氧空位、表面态和光催化活性间存在内在联系。1000℃下退火的样品表面缺陷程度多于800℃和900℃下退火样品,光催化活性也优于后两者。