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第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质

戚玉敏 陈恒利 金朋 路洪艳 崔春翔

第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质

戚玉敏, 陈恒利, 金朋, 路洪艳, 崔春翔
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  • 六钛酸钾(K2Ti6O13)是宽带隙半导体光催化材料,只能响应波长较短的紫外光.为了使K2Ti6O13对可见光响应,本文采用第一性原理方法,研究过渡金属Mn和Cu掺杂改性后K2Ti6O13的电子结构和光学性质.计算结果表明:Mn,Cu掺杂后K2Ti6O13禁带中出现了杂质能级,这些杂质能级由O 2p和Ti 3d与Mn 3d或Cu 3d态杂化而成.对于Mn掺杂的K2Ti6O13,其带隙值变小,位于能带中间的杂质能级可作为电子跃迁的桥梁,从而实现了对可见光的吸收.对于Cu掺杂的K2Ti6O13,其带隙值虽略有增大,但是若考虑将与价带相连的杂质能级,带隙值将大大减小,且此杂质能级可抑制光生载流子的复合,使得掺杂后K2Ti6O13吸收带边红移至可见光区并在可见光范围内吸收强度明显增强.总的而言,Mn,Cu的掺杂实现了钛酸钾对可见光的吸收,同时Cu掺杂的效果要优于Mn掺杂的效果.研究结果对K2Ti6O13在光催化领域上的应用具有重要的意义.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-01
  • 修回日期:  2018-01-04
  • 刊出日期:  2018-03-20

第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质

    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11574108,21103224)和河北省自然科学基金重点专项(批准号:E2016202406)资助的课题.

摘要: 六钛酸钾(K2Ti6O13)是宽带隙半导体光催化材料,只能响应波长较短的紫外光.为了使K2Ti6O13对可见光响应,本文采用第一性原理方法,研究过渡金属Mn和Cu掺杂改性后K2Ti6O13的电子结构和光学性质.计算结果表明:Mn,Cu掺杂后K2Ti6O13禁带中出现了杂质能级,这些杂质能级由O 2p和Ti 3d与Mn 3d或Cu 3d态杂化而成.对于Mn掺杂的K2Ti6O13,其带隙值变小,位于能带中间的杂质能级可作为电子跃迁的桥梁,从而实现了对可见光的吸收.对于Cu掺杂的K2Ti6O13,其带隙值虽略有增大,但是若考虑将与价带相连的杂质能级,带隙值将大大减小,且此杂质能级可抑制光生载流子的复合,使得掺杂后K2Ti6O13吸收带边红移至可见光区并在可见光范围内吸收强度明显增强.总的而言,Mn,Cu的掺杂实现了钛酸钾对可见光的吸收,同时Cu掺杂的效果要优于Mn掺杂的效果.研究结果对K2Ti6O13在光催化领域上的应用具有重要的意义.

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