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《西南交通大学》 2010年
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TiO_2体相掺杂与表面吸附的第一性原理研究

苏宏斌  
【摘要】: 血液相容性是血液接触材料的一个关键问题,提高血液相容性对生物材料的发展和应用至关重要,而生物材料体相和表面的物理化学性质是影响其血液相容性的关键因素。TiO2薄膜以其良好的生物相容性得到了广泛的研究,如何进一步改善其抗凝血性能成为当今研究的热点。前期的研究表明,氢掺杂和氧缺位TiO2薄膜具有比低温同性热解碳(LTIC)更好的血液相容性。计算机模拟可以获得一般实验手段无法得到的更为详细的原子结构和电子信息。因此,本文利用第一性原理对TiO2的三种体相点缺陷(H掺杂、O缺陷、Ti自掺杂)进行模拟研究,然后构建模型对TiO2(110)完整表面和氧缺陷表面的原子弛豫和电子结构性能、以及小分子的表面吸附行为进行理论研究,重点分析了计算模型的缺陷形成能、吸附构型、吸附能、能带结构、电荷转移等性质。 体相计算结果表明,H掺杂、O缺陷、Ti自掺杂三种点缺陷均使费米能级靠近导带,形成n型半导体结构,只有Ti的自掺杂在带隙内产生了独立能级,加氢溅射薄膜性质改变很可能与薄膜含H有关。 表面模型的构建对表面性质的计算结果有较大影响,通过与表面原子弛豫实验结果比较认为我们的表面模型是可靠的。与完整表面相比,TiO2(110)氧缺陷表面带隙增大至1.99eV,导带位置移至-0.13eV,使整个体系的电子结构呈现n型半导体的特点。在TiO2氧缺陷表面H2O、O2、NH3均以解离吸附为主,氧空位为吸附位点,空位附近的Ti均在给出电子。H2O吸附未改变表面n型半导体结构,与表面产生的羟基有关;O2在缺陷表面的吸附会弥合氧空位,致使价带和导带位置上移,失去先前的n型半导体结构,禁带宽度减小至1.3eV;NH3吸附未改变材料本身的电子能带结构。 从电化学假说考虑,金红石TiO2体相H掺杂和O缺陷,氧缺陷表面以及H2O的吸附后电子结构均可能阻止蛋白质的电荷向材料转移而导致的构象变化,有利于血液相容性的提高;而O2解离吸附可能对材料的抗凝血性能造成不利影响。
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