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N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

杨军 苗仁德 章曦

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N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

杨军, 苗仁德, 章曦

First-principles study of N/Cu co-doped anatase TiO2

Yang Jun, Miao Ren-De, Zhang Xi
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  • 基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO2, N, Cu单掺杂TiO2及N/Cu共掺杂TiO2 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO2禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO2禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO2禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.
    Using the first-principles plane-wave ultra-soft pseudo-potential method based on the density functional theory, the structures, electronic-structures and optical properties of pure anatase TiO2, N (Cu) doped TiO2, and N/Cu co-doped TiO2 crystal are studied by the local-spin density approximation plus Hubbard U method. It is shown that the lattice constants become larger because of the lattice distortion caused by doping. Impurity levels in the band gap of TiO2 are introduced by N and Cu doping, and the forbidden band width is correspondingly changed. For N doped TiO2, the reduction of the band gap is weak, while the N/Cu co-doped TiO2 band gap decreases remarkably. It leads to a red shift of visible absorption spectrum and enhances optical catalysis. The effect is useful for the practical application of photo-catalytic.
    • 基金项目: 总参谋部信息化部通信指挥装备军内科研基金(批准号: KYLYZXJK140002)和解放军理工大学预研基金(批准号: 20110502)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Military Research of Command and Communication Equipment, the Ministry of Information of General Staff Department, China (Grant No. KYLYZXJK140002) and the Pre-Research Foundation of PLA University of Science and Technology, China (Grant No. 20110502).
    [1]

    Vayssieres L, Persson C, Guo J H 2011 Appl. Phys. Lett. 99 183101

    [2]

    Peng L P, Xia Z C, Yang C Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 127104 (in Chinese) [彭丽萍, 夏正才, 杨昌权 2012 物理学报 61 127104]

    [3]

    Wu D, Long M 2011 Surf. Coat. Technol. 206 1175

    [4]

    Farbod M, Khademalrasool M 2011 Powder Technol. 214 344

    [5]

    Huang J H, Wong M S 2011 Thin Solid Films 520 1379

    [6]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B, Han S H 2006 J. Phys. Chem. B 110 24011

    [7]

    Lai Y K, Huang J Y, Zhang H F, Subramaniam V P, Tang Y X, Gong D G, Sundar L, Sun L, Chen Z, Lin C J 2010 J. Hazard. Mater. 184 855

    [8]

    Lu J B, Dai Y, Guo M, Yu L, Lai K R, Huang B B 2012 Appl. Phys. Lett. 100 102114

    [9]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B, Whangbo M H 2008 Chem. Mater. 20 6528

    [10]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B 2007 J. Phys. Chem. C 111 12086

    [11]

    Umebayashi T, Tamaki T, Ttoh H 2002 Appl. Phys. Lett. 81 454

    [12]

    Xu L 2010 Ph. D. Dissertation (Wuhan: Huazhong University of Science and Technology) p66 (in Chinese) [徐凌 2010 博士学位论文(武汉: 华中科技大学) 第66页]

    [13]

    Yamamoto T, Yoshida H K 1999 Jpn. J. Appl. Phys. 38 166

    [14]

    Yamamoto T, Katayama Y H 2001 Physica B 302-303 155

    [15]

    Liu G, Li D H, Zhang R 2011 Chin. J. Struct. Chem. 30 1115

    [16]

    Liu H L, Lu Z H, Yue L, Liu J, Gan Z H, Shu C, Zhang T, Shi J, Xiong R 2011 Appl. Surf. Sci. 257 9355

    [17]

    Paola A D, Garcia-Lopez E, Ikeda S 2002 Catal. Today 75 87

    [18]

    Burdett J K, Hughbandks T, Miller G J 1987 J. Am. Chem. Soc. 109 3639

    [19]

    Ma Y F, Zhang J L, Tian B Z, Chen F, Wang L Z 2010 J. Hazard. Mater. 182 386

    [20]

    Fuiishima A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [21]

    Xu J R, Wang Y, Zhu X F, Li P, Zhang L 2012 Acta Phys. Sin. 61 207103 (in Chinese) [徐金荣, 王影, 朱兴凤, 李平, 张莉 2012 物理学报 61 207103]

    [22]

    Hohenberg P, Kohn W 1964 Phys. Rev. B 136 864

    [23]

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

    [24]

    Georges A, Kotliar G, Krauth W 1996 Rev. Mod. Phys. 68 13

    [25]

    Wu G H, Zheng S K, Liu L, Jia C J 2012 Acta Phys. Sin. 61 223101 (in Chinese) [吴国浩, 郑树凯, 刘磊, 贾长江 2012 物理学报 61 223101]

  • [1]

    Vayssieres L, Persson C, Guo J H 2011 Appl. Phys. Lett. 99 183101

    [2]

    Peng L P, Xia Z C, Yang C Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 127104 (in Chinese) [彭丽萍, 夏正才, 杨昌权 2012 物理学报 61 127104]

    [3]

    Wu D, Long M 2011 Surf. Coat. Technol. 206 1175

    [4]

    Farbod M, Khademalrasool M 2011 Powder Technol. 214 344

    [5]

    Huang J H, Wong M S 2011 Thin Solid Films 520 1379

    [6]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B, Han S H 2006 J. Phys. Chem. B 110 24011

    [7]

    Lai Y K, Huang J Y, Zhang H F, Subramaniam V P, Tang Y X, Gong D G, Sundar L, Sun L, Chen Z, Lin C J 2010 J. Hazard. Mater. 184 855

    [8]

    Lu J B, Dai Y, Guo M, Yu L, Lai K R, Huang B B 2012 Appl. Phys. Lett. 100 102114

    [9]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B, Whangbo M H 2008 Chem. Mater. 20 6528

    [10]

    Yang K S, Dai Y, Huang B B 2007 J. Phys. Chem. C 111 12086

    [11]

    Umebayashi T, Tamaki T, Ttoh H 2002 Appl. Phys. Lett. 81 454

    [12]

    Xu L 2010 Ph. D. Dissertation (Wuhan: Huazhong University of Science and Technology) p66 (in Chinese) [徐凌 2010 博士学位论文(武汉: 华中科技大学) 第66页]

    [13]

    Yamamoto T, Yoshida H K 1999 Jpn. J. Appl. Phys. 38 166

    [14]

    Yamamoto T, Katayama Y H 2001 Physica B 302-303 155

    [15]

    Liu G, Li D H, Zhang R 2011 Chin. J. Struct. Chem. 30 1115

    [16]

    Liu H L, Lu Z H, Yue L, Liu J, Gan Z H, Shu C, Zhang T, Shi J, Xiong R 2011 Appl. Surf. Sci. 257 9355

    [17]

    Paola A D, Garcia-Lopez E, Ikeda S 2002 Catal. Today 75 87

    [18]

    Burdett J K, Hughbandks T, Miller G J 1987 J. Am. Chem. Soc. 109 3639

    [19]

    Ma Y F, Zhang J L, Tian B Z, Chen F, Wang L Z 2010 J. Hazard. Mater. 182 386

    [20]

    Fuiishima A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [21]

    Xu J R, Wang Y, Zhu X F, Li P, Zhang L 2012 Acta Phys. Sin. 61 207103 (in Chinese) [徐金荣, 王影, 朱兴凤, 李平, 张莉 2012 物理学报 61 207103]

    [22]

    Hohenberg P, Kohn W 1964 Phys. Rev. B 136 864

    [23]

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

    [24]

    Georges A, Kotliar G, Krauth W 1996 Rev. Mod. Phys. 68 13

    [25]

    Wu G H, Zheng S K, Liu L, Jia C J 2012 Acta Phys. Sin. 61 223101 (in Chinese) [吴国浩, 郑树凯, 刘磊, 贾长江 2012 物理学报 61 223101]

  • [1] 罗强, 杨恒, 郭平, 赵建飞. N型甲烷水合物结构和电子性质的密度泛函理论计算. 物理学报, 2019, 68(16): 169101. doi: 10.7498/aps.68.20182230
    [2] 张陈俊, 王养丽, 陈朝康. InCn+(n=110)团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2018, 67(11): 113101. doi: 10.7498/aps.67.20172662
    [3] 杨振清, 白晓慧, 邵长金. (TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究. 物理学报, 2015, 64(7): 077102. doi: 10.7498/aps.64.077102
    [4] 吕瑾, 杨丽君, 王艳芳, 马文瑾. Al2Sn(n=210)团簇结构特征和稳定性的密度泛函理论研究. 物理学报, 2014, 63(16): 163601. doi: 10.7498/aps.63.163601
    [5] 余本海, 陈东. 用密度泛函理论研究氮化硅新相的电子结构、光学性质和相变. 物理学报, 2014, 63(4): 047101. doi: 10.7498/aps.63.047101
    [6] 李宗宝, 王霞, 樊帅伟. Cu/N表面沉积共掺杂TiO2光催化剂作用机理的理论研究. 物理学报, 2014, 63(15): 157102. doi: 10.7498/aps.63.157102
    [7] 温俊青, 张建民, 姚攀, 周红, 王俊斐. PdnAl(n=18)二元团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2014, 63(11): 113101. doi: 10.7498/aps.63.113101
    [8] 温俊青, 夏涛, 王俊斐. PtnAl (n=18)小团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2014, 63(2): 023103. doi: 10.7498/aps.63.023103
    [9] 吴国浩, 郑树凯, 刘磊, 贾长江. W-S共掺杂锐钛矿TiO2 第一性原理研究 . 物理学报, 2012, 61(22): 223101. doi: 10.7498/aps.61.223101
    [10] 张蓓, 保安, 陈楚, 张军. ConCm(n=15; m=1,2)团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2012, 61(15): 153601. doi: 10.7498/aps.61.153601
    [11] 解晓东, 郝玉英, 章日光, 王宝俊. Li掺杂8-羟基喹啉铝的密度泛函理论研究. 物理学报, 2012, 61(12): 127201. doi: 10.7498/aps.61.127201
    [12] 孙路石, 张安超, 向军, 郭培红, 刘志超, 苏胜. 密度泛函理论研究Hg与Auqn(n=1—6, q=0,+1,-1) 团簇的相互作用. 物理学报, 2011, 60(7): 073103. doi: 10.7498/aps.60.073103
    [13] 张致龙, 陈玉红, 任宝兴, 张材荣, 杜瑞, 王伟超. (HMgN3)n(n=15)团簇结构与性质的密度泛函理论研究. 物理学报, 2011, 60(12): 123601. doi: 10.7498/aps.60.123601
    [14] 周晶晶, 陈云贵, 吴朝玲, 肖艳, 高涛. NaAlH4 表面Ti催化空间构型和X射线吸收光谱: Car-Parrinello分子动力学和密度泛函理论研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7452-7457. doi: 10.7498/aps.59.7452
    [15] 李喜波, 王红艳, 罗江山, 吴卫东, 唐永建. 密度泛函理论研究ScnO(n=1—9)团簇的结构、稳定性与电子性质. 物理学报, 2009, 58(9): 6134-6140. doi: 10.7498/aps.58.6134
    [16] 李喜波, 罗江山, 郭云东, 吴卫东, 王红艳, 唐永建. 密度泛函理论研究Scn,Yn和Lan(n=2—10)团簇的稳定性、电子性质和磁性. 物理学报, 2008, 57(8): 4857-4865. doi: 10.7498/aps.57.4857
    [17] 陈玉红, 康 龙, 张材荣, 罗永春, 元丽华, 李延龙. (Ca3N2)n(n=1—4)团簇结构与性质的密度泛函理论研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6265-6270. doi: 10.7498/aps.57.6265
    [18] 陈玉红, 康 龙, 张材荣, 罗永春, 马 军. [Mg(NH2)2]n(n=1—5)团簇的密度泛函理论研究. 物理学报, 2008, 57(8): 4866-4874. doi: 10.7498/aps.57.4866
    [19] 陈玉红, 张材荣, 马 军. MgmBn(m=1,2;n=1—4)团簇结构与性质的密度泛函理论研究. 物理学报, 2006, 55(1): 171-178. doi: 10.7498/aps.55.171
    [20] 张琦锋, 侯士敏, 张耿民, 刘惟敏, 薛增泉, 吴锦雷. Ag-BaO薄膜在电场作用下的可见——近红外波段光学吸收特性. 物理学报, 2001, 50(3): 561-565. doi: 10.7498/aps.50.561
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-08-15
  • 修回日期:  2014-09-14
  • 刊出日期:  2015-02-05

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

  • 1. 解放军理工大学理学院, 南京 211101
    基金项目: 总参谋部信息化部通信指挥装备军内科研基金(批准号: KYLYZXJK140002)和解放军理工大学预研基金(批准号: 20110502)资助的课题.

摘要: 基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO2, N, Cu单掺杂TiO2及N/Cu共掺杂TiO2 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO2禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO2禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO2禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.

English Abstract

参考文献 (25)

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