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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

管东波 毛健

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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

管东波, 毛健

First principles study of the electronic structure and optical properties of Magnli phase titanium suboxides Ti8O15

Guan Dong-Bo, Mao Jian
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  • 采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能. 计算出的能带结构显示Ti8O15相比锐钛型TiO2禁带宽度大幅度降低. 态密度分析表明, 其原因在于Ti8O15的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p, 3d轨道相对于TiO2的相应轨道向左产生了偏移, 同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d, 3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级. 态密度分析结果还显示, 相对于TiO2, Ti8O15 Fermi能级附近电子格局发生了如下变化: O原子的2p轨道电子贡献减少, Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大. 光吸收计算图谱表明, TiO2仅在紫外光区有较高的光吸收能力, 而Ti8O15由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区, 从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力, 计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.
    The electronic structure and the optical properties of Magnli phase titanium suboxide Ti8O15 are studied by using the plane-wave ultrasoft pesudopotential method based on the density functional theory. The band structure reveals that the energy band gap of Ti8O15 is reduced a lot compared with that of anatase TiO2, which is due to the fact that O 2p, Ti 3p and Ti 3d of Ti8O15 shift toward the left compared with those of TiO2, and a new electron energy level formed by the redundant electrons of Ti 3d and Ti 3p of Ti8O15 due to the lack of oxygen atom in lattice. The results from DOS analysis show that electron distribution near the Fermi level of Ti8O15 is different from that of anatase TiO2, contribution of O 2p to Fermi level decreases and that of Ti 3d increases. Compared with anatase TiO2 which only has high ultraviolet light absorption, Ti8O15 has high light absorptivity both in ultraviolet spectrum and visible spectrum, because its narrow forbidden band width results in the red shift toward visible-light region. The light absorptivity calculated results are consistent with those from UV-vis diffuse absorption test results of anatase TiO2 and Magnli phase titanium suboxides.
    [1]

    Marezio M, Dernier P D 1971 Solids State Chem. 3 430

    [2]

    Siracusano S, Baglio V, D’Urso C, Aric`o A S 2009 Electrochim. Acta 54 6292

    [3]

    Mohammad A R D, Zhang G Q, Ostrovski O 2009 Metal. Mater. Trans. 40 B62

    [4]

    Hayfield P C , Hill A 2000 Int. J. Restorat. Build. Monuments 6 647

    [5]

    Han W Q, Wang X L 2010 Appl. Phys. Lett. 97 243104-1

    [6]

    Walsh F C, Wills R G A 2010 Electrochim. Acta 55 6342

    [7]

    Banakh O, Schmid P E, Sanjinés R, Lévy F 2002 Surf. Coat. Technol. 272 151

    [8]

    Yao J K, Shao J D, He H B, Fan Z X 2007 Vacuum 81 1023

    [9]

    Gusev A A, Avvakumov E G, Vinokurova O B 2003 Sci. Sinter. 35 141

    [10]

    Wang Y, Qin Y, Li G C, Cui Z L, Zhang Z K 2005 Cryst. Growth 282 402

    [11]

    Chen G, Bare S, Mallouk T 2002 Electrochem. Soc. 49 A1092

    [12]

    Ioroi T, Senoh H, Yamazaki S, Siroma Z, Fujiwara N, Yasuda K 2008 J. Electrochem. Soc. 4 B321

    [13]

    Magneli A, Anderson S, Collen B, Kuylenstierna U 1957 Acta Chem. Scand. 11 1641

    [14]

    Hou Q Y, Zhang Y, Zhang T 2008 Acta Phys. Sin. 57 1862 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 张涛 2008 物理学报 57 1862]

    [15]

    Hou Q Y, Zhang Y, Chen Y, Shang J X, Gu J H 2008 Acta Phys. Sin. 57 438 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 陈粤, 尚家香, 谷景华 2008 物理学报 57 438]

    [16]

    Hou Q Y, Zhang Y, Zhang T 2008 Acta Phys. Sin. 57 3155 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 张涛 2008 物理学报 57 3155]

    [17]

    Xu L, Tang C Q, Qian J 2009 Acta Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2009 物理学报 59 2721]

    [18]

    Liborio L, Harrison N 2008 Phys. Rev. B: Condens. Matter 77 104104

    [19]

    Segal M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2127

    [20]

    Zhang X J, Gao P, Liu Q J 2010 Acta Phys. Sin. 59 4930 (in Chinese) [张学军, 高攀, 柳清菊 2010 物理学报 59 4930]

    [21]

    Walsh F C, Wills R G A 2010 Electrochim. Acta 55 6342

  • [1]

    Marezio M, Dernier P D 1971 Solids State Chem. 3 430

    [2]

    Siracusano S, Baglio V, D’Urso C, Aric`o A S 2009 Electrochim. Acta 54 6292

    [3]

    Mohammad A R D, Zhang G Q, Ostrovski O 2009 Metal. Mater. Trans. 40 B62

    [4]

    Hayfield P C , Hill A 2000 Int. J. Restorat. Build. Monuments 6 647

    [5]

    Han W Q, Wang X L 2010 Appl. Phys. Lett. 97 243104-1

    [6]

    Walsh F C, Wills R G A 2010 Electrochim. Acta 55 6342

    [7]

    Banakh O, Schmid P E, Sanjinés R, Lévy F 2002 Surf. Coat. Technol. 272 151

    [8]

    Yao J K, Shao J D, He H B, Fan Z X 2007 Vacuum 81 1023

    [9]

    Gusev A A, Avvakumov E G, Vinokurova O B 2003 Sci. Sinter. 35 141

    [10]

    Wang Y, Qin Y, Li G C, Cui Z L, Zhang Z K 2005 Cryst. Growth 282 402

    [11]

    Chen G, Bare S, Mallouk T 2002 Electrochem. Soc. 49 A1092

    [12]

    Ioroi T, Senoh H, Yamazaki S, Siroma Z, Fujiwara N, Yasuda K 2008 J. Electrochem. Soc. 4 B321

    [13]

    Magneli A, Anderson S, Collen B, Kuylenstierna U 1957 Acta Chem. Scand. 11 1641

    [14]

    Hou Q Y, Zhang Y, Zhang T 2008 Acta Phys. Sin. 57 1862 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 张涛 2008 物理学报 57 1862]

    [15]

    Hou Q Y, Zhang Y, Chen Y, Shang J X, Gu J H 2008 Acta Phys. Sin. 57 438 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 陈粤, 尚家香, 谷景华 2008 物理学报 57 438]

    [16]

    Hou Q Y, Zhang Y, Zhang T 2008 Acta Phys. Sin. 57 3155 (in Chinese) [侯清玉, 张跃, 张涛 2008 物理学报 57 3155]

    [17]

    Xu L, Tang C Q, Qian J 2009 Acta Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2009 物理学报 59 2721]

    [18]

    Liborio L, Harrison N 2008 Phys. Rev. B: Condens. Matter 77 104104

    [19]

    Segal M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2127

    [20]

    Zhang X J, Gao P, Liu Q J 2010 Acta Phys. Sin. 59 4930 (in Chinese) [张学军, 高攀, 柳清菊 2010 物理学报 59 4930]

    [21]

    Walsh F C, Wills R G A 2010 Electrochim. Acta 55 6342

  • [1] 李发云, 杨志雄, 程雪, 甄丽营, 欧阳方平. 单层缺陷碲烯电子结构与光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2021, 70(16): 166301. doi: 10.7498/aps.70.20210271
    [2] 龚凌云, 张萍, 陈倩, 楼志豪, 许杰, 高峰. Nb5+掺杂钛酸锶结构与性能的第一性原理研究. 物理学报, 2021, 70(22): 227101. doi: 10.7498/aps.70.20211241
    [3] 付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良. Ti3O5弹性、电子和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(20): 207301. doi: 10.7498/aps.68.20190664
    [4] 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. 物理学报, 2018, 67(6): 067101. doi: 10.7498/aps.67.20172356
    [5] 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
    [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] 骆最芬, 岑伟富, 范梦慧, 汤家俊, 赵宇军. BiTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(14): 147102. doi: 10.7498/aps.64.147102
    [8] 沈杰, 魏宾, 周静, Shen Shirley Zhiqi, 薛广杰, 刘韩星, 陈文. Ba(Mg1/3Nb2/3)O3电子结构第一性原理计算及光学性能研究. 物理学报, 2015, 64(21): 217801. doi: 10.7498/aps.64.217801
    [9] 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
    [10] 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
    [11] 黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
    [12] 程和平, 但加坤, 黄智蒙, 彭辉, 陈光华. 黑索金电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(16): 163102. doi: 10.7498/aps.62.163102
    [13] 杨春燕, 张蓉, 张利民, 可祥伟. 0.5NdAlO3-0.5CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2012, 61(7): 077702. doi: 10.7498/aps.61.077702
    [14] 宋庆功, 刘立伟, 赵辉, 严慧羽, 杜全国. YFeO3的电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(10): 107102. doi: 10.7498/aps.61.107102
    [15] 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
    [16] 章瑞铄, 刘涌, 滕繁, 宋晨路, 韩高荣. 锐钛矿相和金红石相TiO2:Nb的光电性能研究. 物理学报, 2012, 61(1): 017101. doi: 10.7498/aps.61.017101
    [17] 刘建军. (Zn,Al)O电子结构第一性原理计算及电导率的分析. 物理学报, 2011, 60(3): 037102. doi: 10.7498/aps.60.037102
    [18] 毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林 竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
    [19] 段满益, 徐 明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
    [20] 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
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-07-11
  • 修回日期:  2011-08-23
  • 刊出日期:  2012-01-05

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

  • 1. 四川大学材料科学与工程学院, 成都 610064

摘要: 采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能. 计算出的能带结构显示Ti8O15相比锐钛型TiO2禁带宽度大幅度降低. 态密度分析表明, 其原因在于Ti8O15的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p, 3d轨道相对于TiO2的相应轨道向左产生了偏移, 同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d, 3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级. 态密度分析结果还显示, 相对于TiO2, Ti8O15 Fermi能级附近电子格局发生了如下变化: O原子的2p轨道电子贡献减少, Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大. 光吸收计算图谱表明, TiO2仅在紫外光区有较高的光吸收能力, 而Ti8O15由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区, 从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力, 计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.

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