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。     

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。     

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.     

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、Bi掺杂及(W、Bi)共掺锐钛矿TiO_2的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用平面波超软赝势方法计算研究了W,Bi掺杂以及(W,Bi)共掺杂锐钛矿相TiO_2的能带结构、电子态密度和吸收光谱。研究结果表明:W掺杂、或者是(W、Bi)共掺杂都能够使锐钛矿型TiO_2的禁带宽度变窄,其光谱影响范围向可见光区域移动。Bi掺杂后杂质能级的出现抵消了禁带宽度的变宽,光催化效果较明显,可以出现红移。与W,Bi单掺杂相比,(W、Bi)共掺杂在可见光区域的光吸收强度更大,红移现象更明显,即其光催化效果更好。     

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。     

Fe-N-S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子能带结构计算

采用第一性原理,分析Fe-N-S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学特性。结果表明,由掺杂TiO2晶格畸变产生的内部局域场有利于光生电子-空穴对的分离;杂质在价带顶引入的杂质能级可以作为光生空穴的浅势捕获陷阱,抑制载流子复合;费米能级附近杂质能级作为中间能级,有利于Fe-N-S共掺杂TiO2对可见光的吸收。     

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.     

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     

Ta掺杂锐钛矿相TiO2的理论分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对Ta掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学吸收性质进行计算。结果表明,TiO2中掺杂Ta后,杂质能级与导带底混合,禁带宽度明显减小;杂质能级的引入和禁带宽度的减小使得Ta掺杂锐钛矿相TiO2光吸收在可见光范围内出现明显吸收增强。     

N-Al共掺杂4H-SiC的第一性原理计算

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,计算本征、N单掺杂、Al单掺杂及N-Al共掺杂4H-SiC的电子结构和光学性质。结果表明:N-Al共掺杂导致4H-SiC晶格膨胀,4H-SiC的禁带宽度减小,同时在4H-SiC禁带中引入了杂质能级;N、Al的单掺杂增加了4H-SiC对红外波段和可见光波段的响应,N-Al共掺杂不存在该现象;N-Al共掺杂4H-SiC较本征4H-SiC在紫外波段出现一个更大的透射窗口,吸收系数略小于本征4H-SiC的。     

Gd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)平面波超软赝势方法并选择GGA水平上的PW91相关能泛函,模拟计算了Gd掺杂前后锐钛矿型TiO2的几何结构、能带结构、态密度和光吸收系数,并与实验结果进行比较。结果表明:Gd掺杂锐钛矿型TiO2晶体后,对称性不变,晶格常数变大,价带顶部主要由O-2p和Gd-4f轨道上的电子共同构成,导带底部主要由Ti-3d轨道上的电子构成;主要由于价带上移使得禁带宽度(Eg)变小,TiO2吸收带边红移,可见光区的光吸收强度增加。可见,Gd掺杂有助于提高TiO2催化剂的光催化活性,扩展其光响应范围。     

S掺杂CeO_2的第一性原理计算

为了探究S杂质对CeO_2体系的影响机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理,通过S原子代替O原子建立同等条件下不同浓度的CeO_(2-x)S_x模型,并对CeO_2的晶体结构进行优化,计算并分析体系的几何结构、能带结构、态密度和光学特性。结果表明:S掺杂后CeO_2的晶格常数发生改变;S掺杂使体系的导带和价带均向低能方向移动,随着掺杂浓度的增大,禁带宽度先减小后增大,并在禁带中引入3条杂质能级;CeO_2吸收边红移,并且随着掺杂浓度的增大,对可见光的吸收增强,对紫外光的吸收减弱。     

In-Ga共掺杂ZnO的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理,研究本征ZnO、In和Ga分别单掺杂及In-Ga共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。结果表明:In掺杂的ZnO晶胞体积减小,Ga掺杂的ZnO晶胞体积增大,In-Ga共掺杂的ZnO晶胞体积增大是由掺入的Ga决定的;在ZnO禁带中引入杂质能级,禁带宽度变小,导电能力提高;In-Ga共掺杂后,ZnO吸收带边红移,在波长为302.3~766.8 nm的可见光范围内吸收减弱。     

掺杂单层MoS_2电子结构的第一性原理计算

采用第一性原理研究Cu,Ag,Au掺杂单层MoS_2的键长畸变、能带结构和态密度。探讨Cu,Ag,Au掺杂对单层MoS_2电子结构的影响。结果表明:Cu,Ag,Au在S位掺杂的杂质能都低于在Mo位掺杂的杂质能,其在S位掺杂的体系的稳定性强于在Mo位掺杂的体系。在S位掺杂时,杂质与最近邻的Mo,S原子的键长都发生了畸变,畸变率最大的是dAu-Mo,达23.8%。与单层MoS_2的超胞相比,掺杂体系的禁带中出现了4条新能级,导带和价带的能量向低能区移动。杂质原子周围存在着电荷聚集,同时也存在电荷损失。     

Ag-O-N共掺杂闪锌矿ZnS光催化性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法计算比较了Ag、O和N单掺杂、Ag-O和Ag-N二元掺杂以及Ag-O-N三元共掺杂闪锌矿ZnS的晶型结构、电荷分布、能带和态密度以及光学特性.N、O对晶格结构的影响大于Ag,结构优化和电荷分布结果显示晶格畸变随着掺杂组分的增多不断增大.形成能计算表明,N最易掺杂,组分越多,掺杂越难实现.Ag、O和N各组分掺杂ZnS后能带间隙均有所减小,Ag、N掺杂ZnS更有利于价带顶上移,部分能带越过费米能级,形成电子跃迁的过渡能级,有利于光催化反应.Ag-O-N三元掺杂ZnS后在可见光区的吸收峰最大,有利于提高ZnS对可见光的利用率.     

In-As共掺杂GaSb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法,计算未掺杂,In、As单掺及In-As共掺GaSb的晶格参数、能带结构、态密度和吸收光谱。结果表明:掺杂后GaSb晶格发生畸变,As单掺GaSb的晶格常数增大,带隙减小,导致吸收光谱蓝移;而In单掺和In-As共掺GaSb晶格常数变大,且禁带宽度均减小,致使吸收光谱红移,这也是实验上造成掺杂GaSb热光伏电池吸收光谱扩展的原因。     

S和La共掺杂对锐钛矿相TiO_2微观结构和性能的影响

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TiO2、S和La分别单掺杂及共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构、光学性质及带边位置,结果表明,S掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长和原子电荷都发生了变化,导致掺杂后的八面体偶极矩增加,从而有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光催化性能;S掺杂TiO2禁带中出现杂质能级,从而将TiO2的光谱响应红移至可见光区;La掺杂TiO2杂质能级出现在导带而非禁带中,带隙有所减小,吸收光谱的阈值波长发生了一定的红移;而S、La共掺杂TiO2的光谱响应范围向可见光区明显拓展,且氧化还原能力增强,因此S、La共掺杂可显著提高TiO2光催化性能。     

Al掺杂CeO2体系结构和电子性质的第一性原理研究

CeO2因具有较高的储氧/释氧能力、较强的氧化-还原性能,受到人们极大关注,并在工业催化领域其有重要应用.杂质对CeO2性能具有重要影响,用基于密度泛函理论的第一性原理方法和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,计算并分析了金属Al掺杂对CeO2原子结构、电子结构和化学特性的影响.在计算中,用DFT+U方法描述Ce 4f电子的强关联效应,用基于GGA的PAW势描述芯电子与价电子的相互作用.计算结果表明,Al掺杂降低还原能,使形成氧空位更容易,并从原子结构和电子结构等方面对掺杂降低还原能的机理进行了分析.