共掺杂金红石TiO2的电子结构和红外光谱研究

章正杰; 孟大维; 吴秀玲; 何开华; 樊孝玉; 刘卫平; 黄利武; 郑建平

doi:10.7498/aps.60.037802

摘要

本文对大别山双河、碧溪岭地区硬玉石英岩中的金红石进行了Fourier变换红外光谱(FTIR)分析, 结果显示所有金红石颗粒分别在3280 cm-1和3295 cm-1 出现强的吸收峰. 基于前人提出H在金红石结构中以孔道中心(CC)和八面体共边(BOE)方式存在的两种模型, 本文采用第一性原理计算方法研究了掺杂(Al, H)和(Fe, H)时金红石相TiO2的晶体结构和电子结构. 根据O—H键的振动频率和O—H…O键中O—O之间距离的经验关

关键词:

Abstract

Rutile from Shuanghe and Bixiling area in the Dabie Orogen were investigated by Micro- Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results show that all the grains exhibit a sharp band near 3280 cm-1 or 3295 cm-1. Two structures have been suggested about the position of H in rutile, namely the chanel center (CC) and basal octahedron edge (BOE) models. The lattice structure and electronic band structure of Al—H and Fe—H codoped rutile TiO2 has been calculated by first-principles method. According to O—H bond vibration frequency of FTIR and O—H…O bond distance between O—O of computational results, we deduce that modified channel center (MCC) model is more reasonable. The calculation results indicate that the t2g state of Fe overlaps with the O 2p state, which will narrow the band gap and lead to red shift in optical absorption spectra.

Keywords:

作者及机构信息

(1)中国地质大学材料科学与化学工程学院,教育部纳米矿物材料及应用工程研究中心,武汉 430074; (2)中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室,武汉 430074; (3)中国地质大学数学与物理学院,武汉 430074

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 40872039, 90714002和40572114)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20060491504)资助的课题.

Authors and contacts

(1)Faculty of Materials Science and Chemical Engineering, Engineering Research Center of Nano-Geomaterials of Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; (2)Faculty of Maths and Physics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; (3)State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

参考文献

[1]	Khan S U M, Al-Shahry M, Ingler W B 2002 Science 297 2243
[2]	Zhao Z Y, Liu Q J, Zhu Z Q, Zhang J 2008 Acta Phys. Sin. 57 3760 (in Chinese) [赵宗彦、柳清菊、朱忠其、张瑾 2008 物理学报 57 3760]
[3]	Hu L H, Dai J, Liu W Q, Wang K J, Dai S Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1115 (in Chinese) [胡林华、戴俊、刘伟庆、王孔嘉、戴松元 2009 物理学报 58 1115]
[4]	Yu J X, Fu M, Ji G F, Chen X R 2009 Chin. Phys. B 18 269
[5]	Braun J H, Baidins A, Marganski R E 1992 Prog. Org. Coat 20 105
[6]	Errico L A, Renteria M, Weissmann M 2005 Phys. Rev. B 72 8
[7]	Inaba K, Hitosugi T, Hirose Y, Furubayashi Y, Kinoda G, Yamamoto Y, Kim T W, Fujioka H, Shimada T, Hasegawa T 2006 Jpn. J. Appl. Phys. Part 2-Lett. Express 45 114
[8]	Li G K, Zhang X Q, Wu H Y, Huang W G, Jin J L, Sun Y, Cheng Z H 2009 Chin. Phys. B 18 3551
[9]	Hung W C, Fu S H, Tseng J J, Chu H, Ko T H 2007 Chemosphere 66 2142
[10]	Mardare D, Nica V, Teodorescu C M, Macovei D 2006 Paris, France, F Sep 04-08, Elsevier Science Bv.
[11]	Zhang Y, Tang C Q and D J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇、唐超群、戴君 2005 物理学报 54 323]
[12]	Yin X, Xiang J N, Jian L X, Hu B N 2005 Chin. J. Appl. Chem. 22 6 (in Chinese) [尹霞、向剑南、翦立新、胡波年 2005 应用化学 22 6]
[13]	Rossman G R, Smyth J R 1990 Am. Mineral 75 775
[14]	Hammer V M F, Beran A 1991 Mineral Petrol 45 1
[15]	Vlassopoulos D , Rossman G R, Haggerty S E 1993 Am. Mineral 78 1181
[16]	Xia Q K, Yang X Z, Hao Y T, Sheng Y M, Li P 2007 Earth Science Frontiers 14 10 (in Chinese) [夏群科、杨晓志、郝艳涛、盛英明、李佩 2007 地学前缘 14 10]
[17]	Yang X Z, Xia Q K, Deloule E, Dallai L G, Fan Q C, Feng M 2008 Chemical Geology 256 33
[18]	Sheng Y M, Xia Q K, Dallai L G, Yang X Z, Hao Y T 2007 Geochimica et Cosmochimica Acta 71 2079
[19]	Johnson O W, Ohlsen W D, Kingsbury P I 1968 Phys. Rev. 175 1102
[20]	Johnson O W , Paek S H, Deford J W 1975 J. Appl. Phys. 46 1026
[21]	Klauer S, Wohlecke M 1992 Euro. Phys. Lett. 20 439
[22]	Klauer S, Wohlecke M 1994 Phys. Rev. B 49 158
[23]	Hippel A V, Kalnajas J, Westphal W B 1962 J. Phys. Chem. Solids 23 779
[24]	Bromiley G D, Hilaret N, McCammon C 2004 Geophys. Res. Lett. 31 1029
[25]	Bromiley G D, Hilairet N 2005 Mineral Mag. 69 345
[26]	Sheng Y M, Xia Q K, Hao Y T 2007 Acta Petrologica ET Mineralogica 26 269 (in Chinese) [盛英明、夏群科、郝艳涛 2007 岩石矿物学杂志 26 269]
[27]	Xu L, Tang C Q, Dai L , Tang D H, Ma X G 2007 Acta Phys. Sin. 56 1048 (in Chinese) [徐凌、唐超群、戴磊、唐代海、马新国 2007 物理学报 56 1048]
[28]	Nakamoto K, Marghoshes M, Rundle R E 1955 J. Am. Chem. Soc. 77 6480
[29]	Beran A, Zemann J 1971 Tschermaks Min. Petr. Mitt. 15 71
[30]	Mazharul M I, Thomas B, Andrea G 2007 Phys. Rev. B 76 045217
[31]	Chen J, Rulis P, Ouyang L Z, Satpathy S, Ching W Y 2006 Phys. Rev. B 74 235207

施引文献

[1]	Khan S U M, Al-Shahry M, Ingler W B 2002 Science 297 2243
[2]	Zhao Z Y, Liu Q J, Zhu Z Q, Zhang J 2008 Acta Phys. Sin. 57 3760 (in Chinese) [赵宗彦、柳清菊、朱忠其、张瑾 2008 物理学报 57 3760]
[3]	Hu L H, Dai J, Liu W Q, Wang K J, Dai S Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1115 (in Chinese) [胡林华、戴俊、刘伟庆、王孔嘉、戴松元 2009 物理学报 58 1115]
[4]	Yu J X, Fu M, Ji G F, Chen X R 2009 Chin. Phys. B 18 269
[5]	Braun J H, Baidins A, Marganski R E 1992 Prog. Org. Coat 20 105
[6]	Errico L A, Renteria M, Weissmann M 2005 Phys. Rev. B 72 8
[7]	Inaba K, Hitosugi T, Hirose Y, Furubayashi Y, Kinoda G, Yamamoto Y, Kim T W, Fujioka H, Shimada T, Hasegawa T 2006 Jpn. J. Appl. Phys. Part 2-Lett. Express 45 114
[8]	Li G K, Zhang X Q, Wu H Y, Huang W G, Jin J L, Sun Y, Cheng Z H 2009 Chin. Phys. B 18 3551
[9]	Hung W C, Fu S H, Tseng J J, Chu H, Ko T H 2007 Chemosphere 66 2142
[10]	Mardare D, Nica V, Teodorescu C M, Macovei D 2006 Paris, France, F Sep 04-08, Elsevier Science Bv.
[11]	Zhang Y, Tang C Q and D J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇、唐超群、戴君 2005 物理学报 54 323]
[12]	Yin X, Xiang J N, Jian L X, Hu B N 2005 Chin. J. Appl. Chem. 22 6 (in Chinese) [尹霞、向剑南、翦立新、胡波年 2005 应用化学 22 6]
[13]	Rossman G R, Smyth J R 1990 Am. Mineral 75 775
[14]	Hammer V M F, Beran A 1991 Mineral Petrol 45 1
[15]	Vlassopoulos D , Rossman G R, Haggerty S E 1993 Am. Mineral 78 1181
[16]	Xia Q K, Yang X Z, Hao Y T, Sheng Y M, Li P 2007 Earth Science Frontiers 14 10 (in Chinese) [夏群科、杨晓志、郝艳涛、盛英明、李佩 2007 地学前缘 14 10]
[17]	Yang X Z, Xia Q K, Deloule E, Dallai L G, Fan Q C, Feng M 2008 Chemical Geology 256 33
[18]	Sheng Y M, Xia Q K, Dallai L G, Yang X Z, Hao Y T 2007 Geochimica et Cosmochimica Acta 71 2079
[19]	Johnson O W, Ohlsen W D, Kingsbury P I 1968 Phys. Rev. 175 1102
[20]	Johnson O W , Paek S H, Deford J W 1975 J. Appl. Phys. 46 1026
[21]	Klauer S, Wohlecke M 1992 Euro. Phys. Lett. 20 439
[22]	Klauer S, Wohlecke M 1994 Phys. Rev. B 49 158
[23]	Hippel A V, Kalnajas J, Westphal W B 1962 J. Phys. Chem. Solids 23 779
[24]	Bromiley G D, Hilaret N, McCammon C 2004 Geophys. Res. Lett. 31 1029
[25]	Bromiley G D, Hilairet N 2005 Mineral Mag. 69 345
[26]	Sheng Y M, Xia Q K, Hao Y T 2007 Acta Petrologica ET Mineralogica 26 269 (in Chinese) [盛英明、夏群科、郝艳涛 2007 岩石矿物学杂志 26 269]
[27]	Xu L, Tang C Q, Dai L , Tang D H, Ma X G 2007 Acta Phys. Sin. 56 1048 (in Chinese) [徐凌、唐超群、戴磊、唐代海、马新国 2007 物理学报 56 1048]
[28]	Nakamoto K, Marghoshes M, Rundle R E 1955 J. Am. Chem. Soc. 77 6480
[29]	Beran A, Zemann J 1971 Tschermaks Min. Petr. Mitt. 15 71
[30]	Mazharul M I, Thomas B, Andrea G 2007 Phys. Rev. B 76 045217
[31]	Chen J, Rulis P, Ouyang L Z, Satpathy S, Ching W Y 2006 Phys. Rev. B 74 235207

[1]	林洪斌, 林春, 陈越, 钟克华, 张健敏, 许桂贵, 黄志高. 第一性原理研究Mg掺杂对LiCoO₂正极材料结构稳定性及其电子结构的影响. 物理学报, 2021, 70(13): 138201. doi: 10.7498/aps.70.20210064
[2]	丁超, 李卫, 刘菊燕, 王琳琳, 蔡云, 潘沛锋. Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析. 物理学报, 2018, 67(21): 213102. doi: 10.7498/aps.67.20181228
[3]	胡洁琼, 谢明, 陈家林, 刘满门, 陈永泰, 王松, 王塞北, 李爱坤. Ti3AC2相（A = Si，Sn，Al，Ge）电子结构、弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(5): 057102. doi: 10.7498/aps.66.057102
[4]	马振宁, 周全, 汪青杰, 王逊, 王磊. Mg-Y-Cu合金长周期有序相热力学稳定性及其电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(23): 236101. doi: 10.7498/aps.65.236101
[5]	马振宁, 蒋敏, 王磊. Mg-Y-Zn合金三元金属间化合物的电子结构及其相稳定性的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(18): 187102. doi: 10.7498/aps.64.187102
[6]	徐晶, 梁家青, 李红萍, 李长生, 刘孝娟, 孟健. Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(20): 207101. doi: 10.7498/aps.64.207101
[7]	程旭东, 吴海信, 唐小路, 王振友, 肖瑞春, 黄昌保, 倪友保. Na2Ge2Se5电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(18): 184208. doi: 10.7498/aps.63.184208
[8]	谢知, 程文旦. TiO2纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(24): 243102. doi: 10.7498/aps.63.243102
[9]	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
[10]	杨则金, 令狐荣锋, 程新路, 杨向东. Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(4): 046301. doi: 10.7498/aps.61.046301
[11]	管东波, 毛健. Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(1): 017102. doi: 10.7498/aps.61.017102
[12]	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
[13]	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
[14]	程志梅, 王新强, 王风, 鲁丽娅, 刘高斌, 段壮芬, 聂招秀. 三元化合物ZnCrS2电子结构和半金属铁磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(9): 096301. doi: 10.7498/aps.60.096301
[15]	刘凤丽, 蒋刚, 白丽娜, 孔凡杰. Bi2Te3-xSex(x≤3)同晶化合物电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(3): 037104. doi: 10.7498/aps.60.037104
[16]	余本海, 刘墨林, 陈东. 第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质. 物理学报, 2011, 60(8): 087105. doi: 10.7498/aps.60.087105
[17]	罗礼进, 仲崇贵, 江学范, 方靖淮, 蒋青. Heusler合金Ni2MnSi的电子结构、磁性、压力响应及四方变形的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(1): 521-526. doi: 10.7498/aps.59.521
[18]	于大龙, 陈玉红, 曹一杰, 张材荣. Li2NH晶体结构建模和电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1991-1996. doi: 10.7498/aps.59.1991
[19]	刘娜娜, 宋仁伯, 孙翰英, 杜大伟. Mg2Sn电子结构及热力学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(11): 7145-7150. doi: 10.7498/aps.57.7145
[20]	潘志军, 张澜庭, 吴建生. 掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究. 物理学报, 2005, 54(11): 5308-5313. doi: 10.7498/aps.54.5308

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