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SnO_2(110)掺杂表面电子结构及其吸附小分子的第一性原理研究

林伟  
【摘要】: 二氧化锡(SnO_2)作为一种重要的宽带半导体材料(带隙为3.6eV),在许多领域有着广泛的应用,尤其是可作为一类性能优良的固体气敏传感器。由于SnO_2的表面性质与其在各个领域中的实际应用密切相关,近年来,有关SnO_2表面电子结构的理论和实验研究已成为材料科学的研究热点之一。 为了深入了解SnO_2表面的电子结构本质及其化学反应性质,本论文采用赝势平面波和原子轨道基组相结合的第一性原理方法,详细考察了三种类型体系,即SnO_2(110)完整和缺陷表面、Ti和Ru掺杂表面、以及典型小分子在上述完整表面的吸附,揭示了SnO_2(110)及其金属掺杂表面的构型稳定性、表面态及其对表面化学反应性的影响,为该类型表面功能材料的改性提供理论依据。 对于SnO_2(110)完整表面,它与金红石型TiO_2的(110)面有着相同的表面弛豫特征。本文的研究结果表明,当所采用的平板模型层数小于9时(对应平板厚度约为3 nm),表面能以及表面原子弛豫均存在奇偶振荡现象,可以预测对于SnO_2纳米薄膜,也存在类似现象。与体相相比,完整表面电子结构的最显著特征是来自桥氧2py和2pz轨道的数条能带出现在体相的带隙中。通过考察形成三种不同类型SnO_2(110)缺陷表面的缺陷形成能,结果表明,形成同时具有桥氧和面氧缺陷的构型能量上最为有利,这与通常所认为的桥氧缺陷最为稳定不同。由相应的电子结构分析结果可知,该类型缺陷表面存在类似于SnO表面的特征。 与未掺杂SnO_2(110)表面相比,由于Ti—O或Ru—O键较Sn—O键来得短,当Ti或Ru取代表层或次表层Sn原子后将引起表面弛豫的显著改变,尤其是表层六配位Sn被取代的情形。进一步的研究表明,掺杂后将产生新的表面态,这将导致表面性质的改变。对于掺杂态的分布情况与掺杂原子的类型密切相关:Ti掺杂时,其3d轨道形成的掺杂态一般部分出现在导带中;而Ru掺杂时,源自其4d的掺杂态出现在未掺杂表面的带隙中。此外,计算结果表明,不同掺杂位置对体系的稳定性以及电子结构均有显著的影响。 本论文进一步考察了CO和H_2分子在三种类型完整SnO_2(110)上的吸附构型和电子结构。研究结果表明,CO倾向于以碳端吸附在表层五配位的金属原子上方。值得注意的是,Ti掺杂对CO吸附影响较小,而掺杂Ru原子可显著增强表面对CO的吸附,尤其是五配位Sn原子被Ru取代后,具有最大的吸附能。对于氢分子,其倾向于解离吸附在桥氧原子上,形成具有类似H2O的结构。对于未掺杂表面,吸附氢后,表层桥氧原子将缺失。虽然,Ti或Ru掺杂对吸附能影响较小,但可显著提高桥氧原子在H_2气氛中的稳定性。


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