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一种新型二维TiO2的电子结构与光催化性质研究*

方文玉 熊子谦 张鹏程 康文斌

一种新型二维TiO2的电子结构与光催化性质研究*

方文玉, 熊子谦, 张鹏程, 康文斌, 等
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-29

一种新型二维TiO2的电子结构与光催化性质研究*

  • 1. 湖北医药学院
  • 2. 湖北医药学院公共卫生与管理学院

摘要: 基于第一性原理计算方法, 设计出了一种新型二维半导体材料TiO2, 并进一步研究了其结构稳定性, 电子结构, 载流子迁移率和光学性质等. 二维TiO2的形成能, 声子谱, 分子动力学, 弹性常数表明, 二维TiO2具有较好的动力学, 热力学和机械稳定性, 具备实验制备的条件, 且能够稳定存在于常温条件下. 电子结构分析表明, 二维TiO2是一种间接带隙半导体, 在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 eV和2.76 eV, 其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成,O原子的电子态在费米能级附近贡献很小,主要分布在深处能级. 载流子迁移率显示, 二维TiO2的迁移率比单层MoS2要小, 其电子和空穴迁移率分别为31.09 cm2V-1s-1和36.29 cm2V-1s-1. 由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性, 电子-空穴复合率较低,使得单层TiO2的使用寿命更长,光催化活性更好。在应变调控下, 二维TiO2的能隙发生明显响应, 以适用于各种半导体器件的需要. 半导体的带边势和光学性质显示, 在-5%~2%单/双轴应变下,二维TiO2能够光裂水制H2, 在-5%~5%单/双轴应变下,能够光裂水制O2, H2O2和O3等. 此外,二维TiO2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数,说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.

English Abstract

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