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《河南大学》 2007年
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盆烯分子与N掺杂锐钛矿型TiO_2体系所致的禁带宽度变窄现象的第一性原理研究

孔德国  
【摘要】: 本论文首先介绍了计算机分子模拟,以及计算机分子模拟下的材料计算的现状及发展趋势。接着介绍了我们实验室的分子模拟软件(Materiales Studio简称MS),并对该软件进行了说明,以及对本文工作中用到的两个计算模块(CASTEP和Dmol3)的功能和使用进行了简单介绍。接着叙述了凝聚态物理学中传统的单电子近似理论(HFA),以及这一问题的更严格、更精确的描述——单电子近似的近代理论(DFT),以及在这一理论框架下的第一性原理的材料计算方法。结合本实验室的实验工作,选择了本论文研究的材料体系。使用第一性原理计算方法对盆烯分子和锐钛矿型TiO2掺N体系进行了研究。 基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA)算法研究了盆烯分子C3nH2n(n是基底碳环上碳原子的个数n=3~12)的几何结构和电子特性,结果表明当n=3~8时可以形成盆形结构,n=9、10时分子变为平面结构,且对称群均为Cnv。n=11、12分子趋于鞍形。此外还研究了它的结合能、能隙、HOMO(Highest occupied molecular orbital)和LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)等,表明这种分子是稳定的,平面结构是这种分子最稳定的构型。且分子的还原能力随着n的增大越来越弱,氧化能力逐渐增强。 采用基于第一性原理的超软赝势方法,研究了本征锐钛矿型TiO2和不同量N掺杂所形成的锐钛矿结构的TiO2-xNx合金的电子结构。计算结果表明N的掺杂导致TiO2晶体的禁带宽度减小,发生了红移现象。并且随着N掺入量的不断增加,TiO2-xNx合金的禁带宽度单调减小。研究发现:掺杂前O 2p态电子决定价带顶的位置,且态密度随N的含量的改变发生了稍微的变化。在价带中N 2p态电子比O 2p电子的能量位置要高,掺杂后N 2p态的电子决定价带顶的位置,且随掺杂量的增大N 2p态的高能端向短波方向发生了的移动。Ti 3d态电子决定导带底的位置,并随N的掺入量的增加Ti 3d态的低能端向长波方向发生移动。最终导致了禁带宽度的变窄,发生了红移现象。
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O471

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