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《江苏大学》 2010年
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金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究

于晓慧  
【摘要】:掺杂是改变半导体物理性质的有效手段。将金属或过渡金属离子掺杂到Ti02和ZnO材料中可以引起电子结构和光学性质的改变,使掺杂Ti02和ZnO具有不同于本征Ti02和ZnO的新特性,尤其使Ti02和ZnO的催化性能发生改变。目前,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法是研究掺杂材料的微观结构和性能的一种比较有效的方法。利用这种理论方法进行掺杂研究,不仅可以深入地了解材料的微观几何结构及电子结构,从理论上验证一些实验现象,预测材料的未知性能,而且可以节约研究成本,这对科学地进行新材料研发具有不可估量的作用。 利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本论文对本征Ti02和ZnO及其掺杂进行模拟研究,具体从以下三个方面开展工作: 首先,研究了本征Ti02和ZnO的电子结构和光学性能,具体对能带结构、总态密度、分波态密度、介电函数、吸收系数等进行了理论分析。计算结果说明了金红石型Ti02和ZnO是直接宽带隙半导体,光吸收带主要处于紫外光区域。利用金红石型Ti02和ZnO的电子结构信息和带间跃迁理论,对介电函数图和吸收谱图的各个峰值进行辨别和分析,为Ti02和ZnO材料的掺杂研究提供了理论依据。 其次,本文计算了金属元素Sn掺杂金红石型Ti02的电子结构和光学性能。计算中,分别讨论三种不同的掺杂方式:①金属元素Sn替代金红石型Ti02中的Ti原子,②Sn以间隙原子的形式进入到金红石型Ti02的Ti原子所组成的八面体的中心位置,③Sn替代金红石型Ti02中的Ti原子,同时晶胞中存在O空位。在最常见的掺杂方式①基础上,本论文还讨论了间隙和空位缺陷存在下的掺杂方式。研究表明:Sn替代Ti原子时的掺杂,其最外层电子对掺杂后体系的性能有很大影响,随着Sn掺杂浓度的增加,掺杂体系的带隙增大,但比本征金红石型Ti02的带隙小;Sn为间隙原子时的掺杂,相对本征金红石型TiO2,掺杂后的带隙变大;存在O空位Sn替代Ti时的掺杂,与本征金红石型Ti02相比较,掺杂后的带隙增大,但是位于带隙间的导带下方出现了一条新的缺陷能带,该能带的存在可能有利于电子在价带和导带间的跃迁。同时,金属元素Sn替代Ti原子时的掺杂,改变了金红石型Ti02的介电函数、吸收系数、能量损失函数等光学性能。由吸收系数谱图可知,Sn掺杂后金红石型Ti02的光吸收带发生红移,这一计算结果与具体实验现象相符合。 本文计算了过渡金属元素Mo掺杂金红石型Ti02的电子结构和光学性能。研究表明:过渡金属离子Mo+4以替代方式掺杂金红石型Ti02时,其次外层(d层)电子起主要作用,随着Mo掺杂浓度的增加,掺杂体系的带隙减小。同时,研究发现:过渡金属元素Mo掺杂改变了金红石型TiO2的介电函数、吸收系数、能量损失函数等光学性能。由吸收系数谱图可知,Mo掺杂后金红石型TiO2的光吸收带发生红移,这一计算结果为Mo掺杂金红石型TiO2提供了理论依据。 最后,本文计算了过渡金属元素Mn掺杂ZnO的几何和电子结构及光学性能。由计算结果可知,Mn掺杂后晶胞体积略有增大。通过能带结构和分波态密度的计算结果分析可知,随着Mn掺杂浓度增加,ZnO的导带向低能方向移动,费米能级进入导带。同时,本文重点探讨了掺杂原子Mn对ZnO材料的光学性能的影响。由结果分析可知,相对本征ZnO, Mn掺杂后ZnO的吸收波峰向高能区移动,表明Mn掺杂ZnO材料的光吸收带发生了蓝移,这一计算结果与具体实验现象相符合,为进一步研究提供了理论依据。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG111.1

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