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

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

王寅 冯庆 王渭华 岳远霞

引用本文:
Citation:

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

王寅, 冯庆, 王渭华, 岳远霞

First-principles study on the electronic and optical property of C-Zn co-doped anatase TiO2

Wang Yin, Feng Qing, Wang Wei-Hua, Yue Yuan-Xia
PDF
导出引用
  • 近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO2是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO2的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO2的禁带宽度变小, TiO2的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO2的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO2在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.
    In recent years, many theoretical and experimental researches have reported that different atoms doping TiO2 is one of the effective methods to reduce the gap. In this paper, the band structure, density of states and optical property of C-Zn co-doped rutile TiO2 are studied by the plane-wave ultrasoft pseudopotential method based on the first-principles density functional theory. The calculations show that C-Zn co-doped TiO2 results in the conductor band apparently shifted down to the Fermi level. Some impurity energy levels of co-doped TiO2 are below the conduction band minimum, and others are above the valence band maximum. The distance between them narrows down, which results in the redshift of the optical absorption edges to visible-light region. These impurity energy levels can reduce the recombination rate of photoexcited carriers and improve the photocatalytic efficiency of TiO2. Besides, the optical absorption coefficient becomes larger in visible-light region and the energy loss decreases clearly.
    • 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金 (批准号:61106129)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61106129).
    [1]

    Yan M F, Rhodes W W 1981 In: Leamy H J, Pike G E, Seager C H ed. Grain Boundaries in Semiconductors (New York: North-Holland)

    [2]

    Reintjes J, Schultz M B 1968 J. Appl. Phys. 39 5254

    [3]

    Byrne J A, Eggins B R, Brown N M D 1998 Appl. Cataly. B: Environ. 17 25

    [4]

    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]

    [5]

    Liang L Y, Dai S Y, Fang X Q, Hu L H, 2008 Acta Phys. Sin. 57 1956 (in Chinese) [梁林云, 戴松元, 方霞琴, 胡林华, 2008 物理学报 57 1956]

    [6]

    Hoffmann M R, Martin S T, Choi W 1995 Chem. Rev. 95 69

    [7]

    Khan S U M, Al-Shahry M, Ingler W B 2002 Science 297 2243

    [8]

    Irie H, Watanabe Y, Hashimoto K 2003 Chem. Lett. 32 772

    [9]

    Liang H, Liao B, Ma F R 2010 Nuclear Techniques 12 903 (in Chinese) [梁宏, 廖斌, 马芙蓉 2010 核技术 12 903]

    [10]

    Xu Ling, Tang Chao-Qun, Qian Jun 2010 Acta Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2010 物理学报 59 2721]

    [11]

    Kresse G, Hafner J. 1993 Phys. Rev. B 47 558

    [12]

    Yang Z Y, Peng L G, Zhou A N 2006 New Chem. Mater. 34 35 (in Chinese) [杨志远, 彭龙贵, 周安宁 2006 化工新型材料 34 35]

    [13]

    Asahi R, Taga Y, Mannstadt W, Freeman A J 2000 Phys. Rev. B 61 7459

    [14]

    Stampfl C, Van de Walle C G 1999 Phys. Rev. B 59 5521

    [15]

    Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇, 唐超群, 戴君 2005 物理学报 54 323]

    [16]

    Xu Ling, Tang C Q, Dai Lei 2007 Acta Phys. Sin. 56 1048 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 戴磊 2007 物理学报 56 1048]

    [17]

    Huang D S, Chen C F, Li Y H 2007 Chin. J. Inorg. Chem. 23 728 (in Chinese) [黄东升, 陈朝凤, 李玉花 2007 无机化学学报 23 728]

    [18]

    Shen X C 1992 Semiconductor Spectrum and Optical Quality (2nd Ed.) (Beijing: Science Press) (in Chinese) [沈学础 1992 半导体光谱和光学性质 (第2版) (北京: 科学出版社)]

    [19]

    Yang X X, Cao C D, Erickson L, Hohn K, Maghirang R, Klabunde K 2009 Appl. Cataly. B 91 657

  • [1]

    Yan M F, Rhodes W W 1981 In: Leamy H J, Pike G E, Seager C H ed. Grain Boundaries in Semiconductors (New York: North-Holland)

    [2]

    Reintjes J, Schultz M B 1968 J. Appl. Phys. 39 5254

    [3]

    Byrne J A, Eggins B R, Brown N M D 1998 Appl. Cataly. B: Environ. 17 25

    [4]

    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]

    [5]

    Liang L Y, Dai S Y, Fang X Q, Hu L H, 2008 Acta Phys. Sin. 57 1956 (in Chinese) [梁林云, 戴松元, 方霞琴, 胡林华, 2008 物理学报 57 1956]

    [6]

    Hoffmann M R, Martin S T, Choi W 1995 Chem. Rev. 95 69

    [7]

    Khan S U M, Al-Shahry M, Ingler W B 2002 Science 297 2243

    [8]

    Irie H, Watanabe Y, Hashimoto K 2003 Chem. Lett. 32 772

    [9]

    Liang H, Liao B, Ma F R 2010 Nuclear Techniques 12 903 (in Chinese) [梁宏, 廖斌, 马芙蓉 2010 核技术 12 903]

    [10]

    Xu Ling, Tang Chao-Qun, Qian Jun 2010 Acta Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2010 物理学报 59 2721]

    [11]

    Kresse G, Hafner J. 1993 Phys. Rev. B 47 558

    [12]

    Yang Z Y, Peng L G, Zhou A N 2006 New Chem. Mater. 34 35 (in Chinese) [杨志远, 彭龙贵, 周安宁 2006 化工新型材料 34 35]

    [13]

    Asahi R, Taga Y, Mannstadt W, Freeman A J 2000 Phys. Rev. B 61 7459

    [14]

    Stampfl C, Van de Walle C G 1999 Phys. Rev. B 59 5521

    [15]

    Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇, 唐超群, 戴君 2005 物理学报 54 323]

    [16]

    Xu Ling, Tang C Q, Dai Lei 2007 Acta Phys. Sin. 56 1048 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 戴磊 2007 物理学报 56 1048]

    [17]

    Huang D S, Chen C F, Li Y H 2007 Chin. J. Inorg. Chem. 23 728 (in Chinese) [黄东升, 陈朝凤, 李玉花 2007 无机化学学报 23 728]

    [18]

    Shen X C 1992 Semiconductor Spectrum and Optical Quality (2nd Ed.) (Beijing: Science Press) (in Chinese) [沈学础 1992 半导体光谱和光学性质 (第2版) (北京: 科学出版社)]

    [19]

    Yang X X, Cao C D, Erickson L, Hohn K, Maghirang R, Klabunde K 2009 Appl. Cataly. B 91 657

  • [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] 潘凤春, 林雪玲, 曹志杰, 李小伏. Fe, Co, Ni掺杂GaSb的电子结构和光学性质. 物理学报, 2019, 68(18): 184202. doi: 10.7498/aps.68.20190290
    [3] 程丽, 王德兴, 张杨, 苏丽萍, 陈淑妍, 王晓峰, 孙鹏, 易重桂. Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究. 物理学报, 2018, 67(4): 047101. doi: 10.7498/aps.67.20172096
    [4] 赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Cu,Fe掺杂LiNbO3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014212. doi: 10.7498/aps.65.014212
    [5] 潘凤春, 林雪玲, 陈焕铭. C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(22): 224218. doi: 10.7498/aps.64.224218
    [6] 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
    [7] 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
    [8] 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
    [9] 余志强, 张昌华, 郎建勋. P掺杂硅纳米管电子结构与光学性质的研究. 物理学报, 2014, 63(6): 067102. doi: 10.7498/aps.63.067102
    [10] 何静芳, 郑树凯, 周鹏力, 史茹倩, 闫小兵. Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算. 物理学报, 2014, 63(4): 046301. doi: 10.7498/aps.63.046301
    [11] 王爱玲, 毋志民, 王聪, 胡爱元, 赵若禺. 新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(13): 137101. doi: 10.7498/aps.62.137101
    [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] 王英龙, 王秀丽, 梁伟华, 郭建新, 丁学成, 褚立志, 邓泽超, 傅广生. 不同浓度Er掺杂Si纳米晶粒电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(12): 127302. doi: 10.7498/aps.60.127302
    [16] 梁伟华, 丁学成, 褚立志, 邓泽超, 郭建新, 吴转花, 王英龙. 镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(11): 8071-8077. doi: 10.7498/aps.59.8071
    [17] 郭建云, 郑 广, 何开华, 陈敬中. Al,Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(6): 3740-3746. doi: 10.7498/aps.57.3740
    [18] 邢海英, 范广涵, 赵德刚, 何 苗, 章 勇, 周天明. Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6513-6519. doi: 10.7498/aps.57.6513
    [19] 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
    [20] 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
计量
  • 文章访问数:  3780
  • PDF下载量:  701
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-02-15
  • 修回日期:  2012-05-08

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

  • 1. 重庆师范大学光学工程重点实验室, 重庆 400047
    基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金 (批准号:61106129)资助的课题.

摘要: 近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO2是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO2的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO2的禁带宽度变小, TiO2的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO2的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO2在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.

English Abstract

参考文献 (19)

目录

    /

    返回文章
    返回