N掺杂浓度对TiO_2光催化活性第一性原理研究

采用第一性原理超软赝势平面波方法研究了不同浓度N掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、电荷布局、能带结构、态密度及光学特性的影响。计算结果表明,N掺杂会引起TiO2晶格畸变,晶体体积、原子间键长及电荷分布随掺杂量发生变化。N掺杂使轨道分裂,在价带顶引入杂质能级,使TiO2的禁带宽度变窄,掺量越大带隙越小。掺杂使TiO2由间接半导体转变为直接半导体,光吸收带边同时出现红移和蓝移。在计算范围内,随着掺杂浓度的增大,可见光吸收强度逐渐增强。     

N掺杂TiO2纳米粉体的表面特性及可见光活性

旨在探究N掺杂纳米TiO2具有可见光活性的本质,采用XPS、ESR、XRD、SEM、DRS、SPS和PL分析技术对sol-gel法制备的未掺杂和N掺杂TiO2纳米粉体进行了对比研究,并以亚甲基蓝(MB)溶液在可见光下的光催化脱色评价其可见光活性。结果表明,N掺杂TiO2纳米粉体具有良好的可见光活性,未掺杂样品几乎没有可见光活性。N取代TiO2晶格中O形成了N─Ti─O和O─N─Ti键合结构产生杂质能级,N掺杂导致TiO2表面形成了大量束缚单电子的氧空位产生缺陷能级,二者协同作用致使带隙窄化,光吸收带边红移,产生可见光活性。N掺杂导致TiO2晶格中p-n结的形成及表面氧空位和表面羟基的增加均能促进光生e-/h+分离,有效抑制光生e-/h+复合,提高量子效率,进而提高其光活性。     

Li、N共掺杂实现P型ZnO的机理探讨

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法计算了本征ZnO、N掺杂、Li掺杂以及Li、N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和差分电荷分布。计算结果表明:N掺杂的受主能级局域性较强,导致N溶解度较低,Li替位原子受主能级较浅,但是会受到Li间隙原子的补偿。Li、N共同掺入时,NO-LiZn复合受主结构并不是ZnO的主要P型来源,NO受主可以与间隙原子Lii形成NO-Lii结构,该结构可促进N的掺入,并抑制Lii施主的补偿效应,因而对实现ZnO的P型非常有利。     

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。     

补偿型共掺杂ZnS电子特性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对ZnS(Cu,Cl、Br、I)共掺杂体系的晶格结构和电子性质进行了研究。结果表明,相对于单掺杂ZnS体系,补偿型的共掺ZnS体系形成能更低,更有利于提高可见光的催化效率,且由于p-d电子排斥效应使价带向高能方向展宽,而Cu的3p态与非金属原子的杂质态使导带底下移,从而使共掺杂ZnS体系的能带带隙变窄,尤其是CuZnBrS-ZnS带隙值减少了30%,从而延伸吸收边界到可见光区域。且CuZnBrS-ZnS中m*e/m*h相对较大,降低了电子-空穴对重组率,提高了量子效率。最后对补偿型共掺ZnS电子结构进行了讨论。     

Cd-O共掺杂ZnTe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了未掺杂,Cd、O单掺杂及Cd-O共掺杂ZnTe的几何结构、能带结构、态密度分布、光吸收谱和介电常数等性质。结果表明:掺杂后的ZnTe晶格常数发生变化,其中Cd掺杂的ZnTe晶格失配最大;三种掺杂均使ZnTe禁带宽度减小,并引入杂质能级,其中O掺杂和Cd-O共掺杂的ZnTe的禁带宽度变化较为明显,同时掺杂后ZnTe吸收带边出现不同程度的红移。     

磷掺杂金红石TiO2电子结构的第一性原理研究

TiO2作为一种光催化材料,具有广阔的应用领域.近几年,利用掺杂改性来改善TiO2光催化性已成为当今研究的热点.本文采用第一性原理方法和超晶胞模型计算了磷元素掺杂金红石相TiO2的电子结构,并分析了三种不同掺杂位置的电子结构对TiO2光催化性能的影响.计算结果表明,P置换O和P在晶格间隙位置的掺杂对TiO2的带隙影响比较明显,在带隙中均形成了中间掺杂能级,都有可能使TiO2吸收带出现红移现象或产生在可见光区的吸收,但P在晶格间隙位置的掺杂所形成的中间掺杂能级比较平稳,有可能改善TiO2光催化性能,其中磷原子的3p态起了重要作用.     

Ni掺杂CdS电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,对纤锌矿结构CdS和CdS∶Ni几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质进行了系统的研究。计算结果表明,Ni原子掺入CdS后晶格常量均减小,晶格发生局部畸变;Ni的掺杂在费米面附近引入杂质能级,极大地提高了CdS系统的导电性。光学性质的计算结果显示,掺杂导致在可见光区域出现了强度微弱的新吸收峰。所有结果表明,Ni掺杂CdS体系是极具潜力的透明导电材料。     

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     

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。