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(Nb, N)共掺杂锐钛矿电子结构和光学性质的第一性原理研究

程亮 甘章华 刘威 赵兴中

(Nb, N)共掺杂锐钛矿电子结构和光学性质的第一性原理研究

程亮, 甘章华, 刘威, 赵兴中
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  • 二氧化钛(TiO2)作为一种性能优良的光催化剂已经受到越来越多的关注. 本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO2晶体三种可能的(Nb, N) 共掺杂TiO2的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究, 并与单掺杂(Nb/N)体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外, (Nb, N)共掺杂体系与纯TiO2相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO2相比, N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据, 从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定. 因此, (Nb, N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO2在可见光波段的光催化性能.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB933300) 和国家基础科学人才培养基金(批准号: J0830310)资助的课题.
    [1]

    Fujishima A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [2]

    Fujishima A, Rao T N 2000 J. Photoch Photobio C 1 1

    [3]

    Diebold U 2003 Surf. Sci. Rep. 48 53

    [4]

    Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269

    [5]

    Livraghi S, Chierotti M R, Giamello E, Magnacca G, Paganini M C, Cappelletti G, Bianchi C L 2008 J. Phys. Chem. C 112 17244

    [6]

    Sun H, Bai Y, Jin W, Xu N 2008 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92 76

    [7]

    Hu S, Wang A, Li X, Lowe H 2010 J. Phys. Chem. Solids 71 156

    [8]

    Yin Y, Zhang W, Chen S, Yu S 2009 Mater. Chem. Phys. 113 982

    [9]

    Mi L, Zhang Y, Wang P N 2008 Chem. Phys. Lett. 458 341

    [10]

    Chen X, Burda C 2008 J. Am. Chem. Soc. 130 5018

    [11]

    Stengl V, Bakardjieva S 2010 J. Phys. Chem. C 114 19308

    [12]

    Kurtoglu M E, Longenbach T, Sohlberg K, Gogotsi Y 2011 J. Phys. Chem. C 115 17392

    [13]

    Zhu W, Qiu X, Iancu V, Chen X Q, Pan H, Wang W, Dimitrijevic N M, Rajh T, Meyer III H M, Paranthaman M P, Stocks G M, Weitering H H, Gu B, Eres G, Zhang Z 2009 Phys. Rev. Lett. 103 226401

    [14]

    Long R, English N J 2010 Chem. Mater. 22 1616

    [15]

    Khan M, Xu J, Chen N, Cao W 2012 J. Alloys Compd. 513 539

    [16]

    Liu X D, Jiang E Y, Li Z Q, Song Q G 2008 Appl. Phys. Lett. 92 252104

    [17]

    Furubayashi Y, Hitosugi T, Yamamoto Y, Inaba K, Kinoda G, Hirose Y, Shimada T, Hasegawa T 2005 Appl. Phys. Lett. 86 252101

    [18]

    Furubayashi Y, Hitosugi T, Hasegawa T 2006 Appl. Phys. Lett. 88 226103

    [19]

    Zhang S X, Kundaliya D C, Yi W, Dhar S, Young S Y, Salamanca-Riba L G, Ogale S B, Vispute R D, Venkatesan T 2007 J. Appl. Phys. 102 013701

    [20]

    Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11

    [21]

    Yang K, Dai Y, Huang B 2008 Chem. Phys. Lett. 456 71

    [22]

    Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys. Condens. Matter 9 767

    [23]

    Zhang S B 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 881

    [24]

    Sun J, Wang H T, He J, Tian Y 2005 Phys. Rev. B 71 125132

    [25]

    Burdett J K, Hughbanks T, Miller G J, Richardson J W, Smith J V 1987 J. Am. Chem. Soc. 109 3639

    [26]

    Czoska A M, Livraghi S, Chiesa M, Giamello E, Agnoli S, Granozzi G, Finazzi E, Valentin C D, Pacchioni G 2008 J. Phys. Chem. C 112 8951

    [27]

    Zhang S X, Kundaliya D C, Yi W, Dhar S, Young S Y, Salamanca-Riba L G, Ogale S B, Vispute R D, Venkatesan T 2007 J. Appl. Phys. 102 013701

    [28]

    Irie H, Watanabe Y, Hashimoto K 2003 J. Phys. Chem. B 107 5483

    [29]

    Valentin C D, Pacchioni G, Selloni A, Livraghi S, Giamello E 2005 J. Phys. Chem. B 109 11414

    [30]

    Valentin C D, Finazzi E, Pacchioni G, Selloni A, Livraghi S, Paganini M C, Giamello E 2007 Chem. Phys. 339 44

    [31]

    Nakano Y, Morikawa T, Ohwaki T 2005 Appl. Phys. Lett. 86 132104

    [32]

    Shi W, Chen Q, Xu Y, Wu D, Huo C 2011 Appl. Surf. Sci. 257 3000

  • [1]

    Fujishima A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [2]

    Fujishima A, Rao T N 2000 J. Photoch Photobio C 1 1

    [3]

    Diebold U 2003 Surf. Sci. Rep. 48 53

    [4]

    Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269

    [5]

    Livraghi S, Chierotti M R, Giamello E, Magnacca G, Paganini M C, Cappelletti G, Bianchi C L 2008 J. Phys. Chem. C 112 17244

    [6]

    Sun H, Bai Y, Jin W, Xu N 2008 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92 76

    [7]

    Hu S, Wang A, Li X, Lowe H 2010 J. Phys. Chem. Solids 71 156

    [8]

    Yin Y, Zhang W, Chen S, Yu S 2009 Mater. Chem. Phys. 113 982

    [9]

    Mi L, Zhang Y, Wang P N 2008 Chem. Phys. Lett. 458 341

    [10]

    Chen X, Burda C 2008 J. Am. Chem. Soc. 130 5018

    [11]

    Stengl V, Bakardjieva S 2010 J. Phys. Chem. C 114 19308

    [12]

    Kurtoglu M E, Longenbach T, Sohlberg K, Gogotsi Y 2011 J. Phys. Chem. C 115 17392

    [13]

    Zhu W, Qiu X, Iancu V, Chen X Q, Pan H, Wang W, Dimitrijevic N M, Rajh T, Meyer III H M, Paranthaman M P, Stocks G M, Weitering H H, Gu B, Eres G, Zhang Z 2009 Phys. Rev. Lett. 103 226401

    [14]

    Long R, English N J 2010 Chem. Mater. 22 1616

    [15]

    Khan M, Xu J, Chen N, Cao W 2012 J. Alloys Compd. 513 539

    [16]

    Liu X D, Jiang E Y, Li Z Q, Song Q G 2008 Appl. Phys. Lett. 92 252104

    [17]

    Furubayashi Y, Hitosugi T, Yamamoto Y, Inaba K, Kinoda G, Hirose Y, Shimada T, Hasegawa T 2005 Appl. Phys. Lett. 86 252101

    [18]

    Furubayashi Y, Hitosugi T, Hasegawa T 2006 Appl. Phys. Lett. 88 226103

    [19]

    Zhang S X, Kundaliya D C, Yi W, Dhar S, Young S Y, Salamanca-Riba L G, Ogale S B, Vispute R D, Venkatesan T 2007 J. Appl. Phys. 102 013701

    [20]

    Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11

    [21]

    Yang K, Dai Y, Huang B 2008 Chem. Phys. Lett. 456 71

    [22]

    Anisimov V I, Aryasetiawan F, Lichtenstein A I 1997 J. Phys. Condens. Matter 9 767

    [23]

    Zhang S B 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 881

    [24]

    Sun J, Wang H T, He J, Tian Y 2005 Phys. Rev. B 71 125132

    [25]

    Burdett J K, Hughbanks T, Miller G J, Richardson J W, Smith J V 1987 J. Am. Chem. Soc. 109 3639

    [26]

    Czoska A M, Livraghi S, Chiesa M, Giamello E, Agnoli S, Granozzi G, Finazzi E, Valentin C D, Pacchioni G 2008 J. Phys. Chem. C 112 8951

    [27]

    Zhang S X, Kundaliya D C, Yi W, Dhar S, Young S Y, Salamanca-Riba L G, Ogale S B, Vispute R D, Venkatesan T 2007 J. Appl. Phys. 102 013701

    [28]

    Irie H, Watanabe Y, Hashimoto K 2003 J. Phys. Chem. B 107 5483

    [29]

    Valentin C D, Pacchioni G, Selloni A, Livraghi S, Giamello E 2005 J. Phys. Chem. B 109 11414

    [30]

    Valentin C D, Finazzi E, Pacchioni G, Selloni A, Livraghi S, Paganini M C, Giamello E 2007 Chem. Phys. 339 44

    [31]

    Nakano Y, Morikawa T, Ohwaki T 2005 Appl. Phys. Lett. 86 132104

    [32]

    Shi W, Chen Q, Xu Y, Wu D, Huo C 2011 Appl. Surf. Sci. 257 3000

  • [1] 刘芳, 姜振益. 第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质. 物理学报, 2013, 62(19): 193103. doi: 10.7498/aps.62.193103
    [2] 程新路, 杨向东, 刘强, 范勇恒. Al和N共掺p型Zn1-xMgxO电子结构的第一性原理计算. 物理学报, 2009, 58(4): 2684-2691. doi: 10.7498/aps.58.2684
    [3] 姜金龙, 黄浩, 王琼, 王善民, 魏智强, 杨华, 郝俊英. 沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响. 物理学报, 2014, 63(2): 028104. doi: 10.7498/aps.63.028104
    [4] 王平, 郭立新, 杨银堂, 张志勇. 铝氮共掺杂氧化锌纳米管电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(5): 056105. doi: 10.7498/aps.62.056105
    [5] 侯清玉, 张 跃, 张 涛. 高氧空位浓度对锐钛矿TiO2莫特相变和光谱红移及电子寿命影响的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(3): 1862-1866. doi: 10.7498/aps.57.1862
    [6] 梁培, 王乐, 熊斯雨, 董前民, 李晓艳. Mo-X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO2体系的光催化协同效应研究. 物理学报, 2012, 61(5): 053101. doi: 10.7498/aps.61.053101
    [7] 程新路, 杨则金, 刘强, 李德华. Al和N共掺对Zn1-xMgxO光学性质的影响. 物理学报, 2010, 59(12): 8829-8835. doi: 10.7498/aps.59.8829
    [8] 胡小颖, 田宏伟, 宋立军, 朱品文, 乔靓. Li-N, Li-2N共掺p型ZnO的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(4): 047102. doi: 10.7498/aps.61.047102
    [9] 彭丽萍, 夏正才, 杨昌权. 金属和非金属共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算. 物理学报, 2012, 61(12): 127104. doi: 10.7498/aps.61.127104
    [10] 徐灿, 张小芳, 陈亮. 氧化镁纳米管团簇电子结构的密度泛函研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1603-1607. doi: 10.7498/aps.58.1603
    [11] 杨振清, 白晓慧, 邵长金. (TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究. 物理学报, 2015, 64(7): 077102. doi: 10.7498/aps.64.077102
    [12] 杜 娟, 季振国. Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响. 物理学报, 2007, 56(4): 2388-2392. doi: 10.7498/aps.56.2388
    [13] 李春霞, 党随虎. Ag, Zn掺杂对CdS电子结构和光学性质的影响. 物理学报, 2012, 61(1): 017202. doi: 10.7498/aps.61.017202
    [14] 曹青松, 袁勇波, 肖传云, 陆瑞锋, 阚二军, 邓开明. C80H80几何结构和电子性质的密度泛函研究. 物理学报, 2012, 61(10): 106101. doi: 10.7498/aps.61.106101
    [15] 唐春梅, 郭微, 朱卫华, 刘明熠, 张爱梅, 巩江峰, 王辉. 内掺过渡金属非典型富勒烯M@C22(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) 几何结构、电子结构、稳定性和磁性的密度泛函研究. 物理学报, 2012, 61(2): 026101. doi: 10.7498/aps.61.026101
    [16] 刘小村, 季燕菊, 赵俊卿, 刘立强, 孙兆鹏, 董和磊. In掺杂ZnO电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(7): 4925-4929. doi: 10.7498/aps.59.4925
    [17] 袁健美, 郝文平, 李顺辉, 毛宇亮. Ni(111)表面C原子吸附的密度泛函研究. 物理学报, 2012, 61(8): 087301. doi: 10.7498/aps.61.087301
    [18] 张蓓, 保安, 陈楚, 张军. ConCm(n=15; m=1,2)团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2012, 61(15): 153601. doi: 10.7498/aps.61.153601
    [19] 唐 鑫, 吕海峰, 马春雨, 赵纪军, 张庆瑜. Be掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7806-7813. doi: 10.7498/aps.57.7806
    [20] 赵纪军, 唐 鑫, 马春雨, 张庆瑜, 吕海峰. Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(2): 1066-1072. doi: 10.7498/aps.57.1066
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-03-30
  • 修回日期:  2012-06-26
  • 刊出日期:  2012-12-05

(Nb, N)共掺杂锐钛矿电子结构和光学性质的第一性原理研究

  • 1. 武汉大学物理科学与技术学院, 武汉 430072;
  • 2. 武汉科技大学材料与冶金学院, 武汉 430000
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB933300) 和国家基础科学人才培养基金(批准号: J0830310)资助的课题.

摘要: 二氧化钛(TiO2)作为一种性能优良的光催化剂已经受到越来越多的关注. 本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO2晶体三种可能的(Nb, N) 共掺杂TiO2的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究, 并与单掺杂(Nb/N)体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外, (Nb, N)共掺杂体系与纯TiO2相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO2相比, N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据, 从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定. 因此, (Nb, N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO2在可见光波段的光催化性能.

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