搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

第一性原理研究钨掺杂对锐钛矿物性的影响

侯清玉 赵春旺

第一性原理研究钨掺杂对锐钛矿物性的影响

侯清玉, 赵春旺
PDF
导出引用
  • 在实验上, W掺杂量在0.02083–0.04167的范围内时, 有关掺杂体系的电导率影响的研究有两种相悖的结论. 为解决这个问题, 本文采用第一性原理平面波模守恒赝势方法, 首先构建了两种Ti0.97917W0.02083O2 和Ti0.95833W0.04167O2 超胞模型, 分别对这两种模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布计算. 同时还计算了掺杂体系的电子浓度、有效质量、迁移率和电导率. 计算结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, W掺杂浓度越大、掺杂体系的电子浓度越大、有效质量越小、迁移率越小、电导率越大、导电性能越强. 由电离能和Bohr半径分析进一步证实了Ti0.95833W0.04167O2 超胞的导电性能优于Ti0.97917W0.02083O2 超胞. 为了研究掺杂体系的结构稳定性和形成能, 又分别构建了Ti0.96875W0.03125O2, Ti0.9375W0.0625O2两种超胞模型, 几何结构优化后进行了计算, 结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, 在W掺杂量为0.02083–0.04167的范围内, W掺杂浓度越大、掺杂体系的总能量越高、稳定性越差、 形成能越大、掺杂越困难. 将掺杂体系的晶格常数与纯的锐钛矿TiO2相比较, 发现沿a轴方向的晶格常数变大、沿c轴方向的晶格常数变小、掺杂体系的体积变大, 计算结果与实验结果相符合. 在电子自旋极化的条件下, 掺杂体系形成了半金属化的室温铁磁性稀磁半导体.
      通信作者: 侯清玉, by0501119@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61366008, 11272142)、教育部“春晖计划”和内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号: NJZZ13099)资助的课题.
    [1]

    Mohamed M M, Asghar B H M, Muathen H A 2012 Catal. Commun. 28 58

    [2]

    Wang X L, He H L, Chen Y, Zhao J Q, Zhang X Y 2012 App. Sur. Sci. 258 5863

    [3]

    Li X, Zhu J, Li H X 2012 Catal. Commun. 24 20

    [4]

    Jiang H Q, Yan P P, Wang Q F, Zang S Y, Li J S, Wang Q Y 2013 Chem. Eng. J. 215-216 348

    [5]

    Riley M J, Williams B, Condon G Y, Borja J, Lu T M, Gill W N, Plawsky J L 2012 J. Appl. Phys. 111 074904

    [6]

    Li N, Yao K L, Li L, Sun Z Y, Gao G Y, Zhu L 2011 J. Appl. Phys. 110 073513

    [7]

    Choi W, Termin A, Hoffmann M R 1994 J. Phys. Chem. 98 13669

    [8]

    Yang Y, Wang H Y, Li X, Wang C 2009 Mater. Lett. 63 331

    [9]

    Neville E M, Mattle M J, Loughrey D, Rajesh B, Rahman M, MacElroy J M D, Sullivan J A, Thampi K R 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [10]

    Qin X B, Li D X, Li R Q, Zhang P, Li Y X, Wang B Y 2014 Chin. Phys. B 23 067502

    [11]

    Feng Q, Yue Y X, Wang W H, Zhu H Q 2014 Chin. Phys. B 23 043101

    [12]

    Wang Q, Liang J F, Zhang R H, Li Q, Dai J F 2013 Chin. Phys. B 22 057801

    [13]

    Song C L, Yang Z H, Su T, Wang K K, Wang J, Liu Y, Han G R 2014 Chin. Phys. B 23 057101

    [14]

    Li M, Zhang J Y, Zhang Y 2012 Chem. Phys. Lett. 527 63

    [15]

    Liao B, Tan L Z, Hou X G 2008 Acta Chim. Sin. 66 281 (in Chinese) [廖斌, 覃礼钊, 侯兴刚, 刘安东 2008 化学学报 66 281]

    [16]

    Kafizas A, Parkin I P 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [17]

    Chen D M, Xu G, Miao L, Chen L H, Nakao S, Jin P 2010 J. Appl. Phys. 107 063707

    [18]

    Gong C W, Jiao J R, Wang J H, Shao W 2015 Physica B 457 140

    [19]

    Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717

    [20]

    Perdew J P, Burke K, Emzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [21]

    Gong J Y, Yang C Z, Zhang J D, Pu W H 2014 Appl. Catal. B: Environ. 152-153 73

    [22]

    Kafizas A, Parkin I P 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [23]

    Zhang L, Li Y G, Xie H Y, Wang H Z, Zhang Q H 2015 J. Nanosci. Nanotech. 15 2944

    [24]

    Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 25604

    [25]

    Tang H, Prasad K, Sanjinès R, Schmid P E, Lévy F 1994 J. Appl. Phys. 75 2042

    [26]

    Lu E K, Zhu B S, Luo J S 1998 Semiconductor Physics (Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press) p103 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1998 半导体物理(西安: 西安交通大学出版社) 第103页]

    [27]

    Takeuchi U, Chikamatsu A, Hitosugi T, Kumigashira H, Oshima M, Hirose Y, Shimada T, Hasegawa T 2010 J. Appl. Phys. 107 023705

    [28]

    Schleife A, Fuchs F, Furthmller J 2006 J. Phys. Rev. B 73 245212

    [29]

    Eucken A, Biichner U A 1934 Z. Phys. Chem. B 27 321

    [30]

    Roberts S 1949 Phys. Rev. 76 1215

    [31]

    Couselo N, Einschlag F S G, Candal R J, Jobbagy M 2008 J. Phys. Chem. C 112 1094

    [32]

    Long R, English N J 2011 Phys. Chem. Chem. Phys. 13 13698

    [33]

    Sato K, Dederichs P H, KatayamaY H 2003 Europhys. Lett. 61 403

    [34]

    Lin Q B, Li R Q, Zeng Y Z, Zhu Z Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 873 (in Chinese) [林秋宝, 李仁全, 曾永志, 朱梓忠 2006 物理学报 55 873]

    [35]

    Gopal P, Spaldin N A 2006 Phys. Rev. B 74 094418

  • [1]

    Mohamed M M, Asghar B H M, Muathen H A 2012 Catal. Commun. 28 58

    [2]

    Wang X L, He H L, Chen Y, Zhao J Q, Zhang X Y 2012 App. Sur. Sci. 258 5863

    [3]

    Li X, Zhu J, Li H X 2012 Catal. Commun. 24 20

    [4]

    Jiang H Q, Yan P P, Wang Q F, Zang S Y, Li J S, Wang Q Y 2013 Chem. Eng. J. 215-216 348

    [5]

    Riley M J, Williams B, Condon G Y, Borja J, Lu T M, Gill W N, Plawsky J L 2012 J. Appl. Phys. 111 074904

    [6]

    Li N, Yao K L, Li L, Sun Z Y, Gao G Y, Zhu L 2011 J. Appl. Phys. 110 073513

    [7]

    Choi W, Termin A, Hoffmann M R 1994 J. Phys. Chem. 98 13669

    [8]

    Yang Y, Wang H Y, Li X, Wang C 2009 Mater. Lett. 63 331

    [9]

    Neville E M, Mattle M J, Loughrey D, Rajesh B, Rahman M, MacElroy J M D, Sullivan J A, Thampi K R 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [10]

    Qin X B, Li D X, Li R Q, Zhang P, Li Y X, Wang B Y 2014 Chin. Phys. B 23 067502

    [11]

    Feng Q, Yue Y X, Wang W H, Zhu H Q 2014 Chin. Phys. B 23 043101

    [12]

    Wang Q, Liang J F, Zhang R H, Li Q, Dai J F 2013 Chin. Phys. B 22 057801

    [13]

    Song C L, Yang Z H, Su T, Wang K K, Wang J, Liu Y, Han G R 2014 Chin. Phys. B 23 057101

    [14]

    Li M, Zhang J Y, Zhang Y 2012 Chem. Phys. Lett. 527 63

    [15]

    Liao B, Tan L Z, Hou X G 2008 Acta Chim. Sin. 66 281 (in Chinese) [廖斌, 覃礼钊, 侯兴刚, 刘安东 2008 化学学报 66 281]

    [16]

    Kafizas A, Parkin I P 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [17]

    Chen D M, Xu G, Miao L, Chen L H, Nakao S, Jin P 2010 J. Appl. Phys. 107 063707

    [18]

    Gong C W, Jiao J R, Wang J H, Shao W 2015 Physica B 457 140

    [19]

    Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717

    [20]

    Perdew J P, Burke K, Emzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [21]

    Gong J Y, Yang C Z, Zhang J D, Pu W H 2014 Appl. Catal. B: Environ. 152-153 73

    [22]

    Kafizas A, Parkin I P 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 20458

    [23]

    Zhang L, Li Y G, Xie H Y, Wang H Z, Zhang Q H 2015 J. Nanosci. Nanotech. 15 2944

    [24]

    Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 25604

    [25]

    Tang H, Prasad K, Sanjinès R, Schmid P E, Lévy F 1994 J. Appl. Phys. 75 2042

    [26]

    Lu E K, Zhu B S, Luo J S 1998 Semiconductor Physics (Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press) p103 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1998 半导体物理(西安: 西安交通大学出版社) 第103页]

    [27]

    Takeuchi U, Chikamatsu A, Hitosugi T, Kumigashira H, Oshima M, Hirose Y, Shimada T, Hasegawa T 2010 J. Appl. Phys. 107 023705

    [28]

    Schleife A, Fuchs F, Furthmller J 2006 J. Phys. Rev. B 73 245212

    [29]

    Eucken A, Biichner U A 1934 Z. Phys. Chem. B 27 321

    [30]

    Roberts S 1949 Phys. Rev. 76 1215

    [31]

    Couselo N, Einschlag F S G, Candal R J, Jobbagy M 2008 J. Phys. Chem. C 112 1094

    [32]

    Long R, English N J 2011 Phys. Chem. Chem. Phys. 13 13698

    [33]

    Sato K, Dederichs P H, KatayamaY H 2003 Europhys. Lett. 61 403

    [34]

    Lin Q B, Li R Q, Zeng Y Z, Zhu Z Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 873 (in Chinese) [林秋宝, 李仁全, 曾永志, 朱梓忠 2006 物理学报 55 873]

    [35]

    Gopal P, Spaldin N A 2006 Phys. Rev. B 74 094418

  • [1] 张品亮, 龚自正, 姬广富, 刘崧. α-Ti2Zr高压物性的第一性原理计算研究. 物理学报, 2013, 62(4): 046202. doi: 10.7498/aps.62.046202
    [2] 徐凌, 唐超群, 钱俊. C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2721-2727. doi: 10.7498/aps.59.2721
    [3] 彭丽萍, 徐 凌, 尹建武. N掺杂锐钛矿TiO2光学性能的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(3): 1585-1589. doi: 10.7498/aps.56.1585
    [4] 佟国香, 李毅, 王锋, 黄毅泽, 方宝英, 王晓华, 朱慧群, 梁倩, 严梦, 覃源, 丁杰, 陈少娟, 陈建坤, 郑鸿柱, 袁文瑞. 磁控溅射制备W掺杂VO2/FTO复合薄膜及其性能分析. 物理学报, 2013, 62(20): 208102. doi: 10.7498/aps.62.208102
    [5] 郑树文, 范广涵, 何苗, 赵灵智. W掺杂对β-Ga2O3导电性能影响的理论研究. 物理学报, 2014, 63(5): 057102. doi: 10.7498/aps.63.057102
    [6] 朱慧群, 李毅, 叶伟杰, 李春波. 花状掺杂W-VO2/ZnO热致变色纳米复合薄膜研究. 物理学报, 2014, 63(23): 238101. doi: 10.7498/aps.63.238101
    [7] 郑树凯, 吴国浩, 刘磊. P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算. 物理学报, 2013, 62(4): 043102. doi: 10.7498/aps.62.043102
    [8] 赵宗彦, 柳清菊, 张 瑾, 朱忠其. 3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(11): 6592-6599. doi: 10.7498/aps.56.6592
    [9] 李宗宝, 王霞, 贾礼超. N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面协同作用的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(20): 203103. doi: 10.7498/aps.62.203103
    [10] 潘凤春, 徐佳楠, 杨花, 林雪玲, 陈焕铭. 非掺杂锐钛矿相TiO2铁磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(5): 056101. doi: 10.7498/aps.66.056101
    [11] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰. Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
    [12] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 赵春旺, 张冰. Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167103. doi: 10.7498/aps.61.167103
    [13] 王寅, 冯庆, 王渭华, 岳远霞. 碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究 . 物理学报, 2012, 61(19): 193102. doi: 10.7498/aps.61.193102
    [14] 张学军, 张光富, 金辉霞, 朱良迪, 柳清菊. N, Co共掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(1): 017102. doi: 10.7498/aps.62.017102
    [15] 李聪, 郑友进, 付斯年, 姜宏伟, 王丹. 稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO2磁性及光催化活性的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(3): 037102. doi: 10.7498/aps.65.037102
    [16] 贾晓芳, 侯清玉, 赵春旺. 采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响. 物理学报, 2017, 66(6): 067401. doi: 10.7498/aps.66.067401
    [17] 吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103
    [18] 王涛, 陈建峰, 乐园. I掺杂金红石TiO2(110)面的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(20): 207302. doi: 10.7498/aps.63.207302
    [19] 谢东, 冷永祥, 黄楠. C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(19): 198103. doi: 10.7498/aps.62.198103
    [20] 张计划, 丁建文, 卢章辉. Co掺杂MgF2电子结构和光学特性的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1901-1907. doi: 10.7498/aps.58.1901
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  884
  • PDF下载量:  216
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-14
  • 修回日期:  2015-09-07
  • 刊出日期:  2015-12-05

第一性原理研究钨掺杂对锐钛矿物性的影响

  • 1. 内蒙古工业大学理学院, 呼和浩特 010051;
  • 2. 上海海事大学文理学院, 上海 201306
  • 通信作者: 侯清玉, by0501119@126.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 61366008, 11272142)、教育部“春晖计划”和内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号: NJZZ13099)资助的课题.

摘要: 在实验上, W掺杂量在0.02083–0.04167的范围内时, 有关掺杂体系的电导率影响的研究有两种相悖的结论. 为解决这个问题, 本文采用第一性原理平面波模守恒赝势方法, 首先构建了两种Ti0.97917W0.02083O2 和Ti0.95833W0.04167O2 超胞模型, 分别对这两种模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布计算. 同时还计算了掺杂体系的电子浓度、有效质量、迁移率和电导率. 计算结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, W掺杂浓度越大、掺杂体系的电子浓度越大、有效质量越小、迁移率越小、电导率越大、导电性能越强. 由电离能和Bohr半径分析进一步证实了Ti0.95833W0.04167O2 超胞的导电性能优于Ti0.97917W0.02083O2 超胞. 为了研究掺杂体系的结构稳定性和形成能, 又分别构建了Ti0.96875W0.03125O2, Ti0.9375W0.0625O2两种超胞模型, 几何结构优化后进行了计算, 结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, 在W掺杂量为0.02083–0.04167的范围内, W掺杂浓度越大、掺杂体系的总能量越高、稳定性越差、 形成能越大、掺杂越困难. 将掺杂体系的晶格常数与纯的锐钛矿TiO2相比较, 发现沿a轴方向的晶格常数变大、沿c轴方向的晶格常数变小、掺杂体系的体积变大, 计算结果与实验结果相符合. 在电子自旋极化的条件下, 掺杂体系形成了半金属化的室温铁磁性稀磁半导体.

English Abstract

参考文献 (35)

目录

    /

    返回文章
    返回