WO3纳米线-NO2吸附体系电子性能及其Ti掺杂的理论研究

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本论文采用密度泛函第一性原理的计算方法、运用MS(Materials Studio)软件,研究了WO3纳米线的电学性质以及WO3纳米线-NO2吸附体系的电子转移性能。基于实验中WO3纳米线的生长方向建立了NO2气体分子在WO3(001)和(010)纳米线表面的吸附模型,计算了吸附前后吸附能、电子结构、电子布局分布、电荷密度差分分布以及电荷局域函数(ELF),对比分析了不同生长方向WO3纳米线-NO2气体吸附体系的内部电子转移特性。吸附能计算表明,当NO2吸附在桥氧O2c位置时,吸附能最小,为最稳定吸附结构。DOS图与能带图分析显示,吸附NO2后纳米线态密度图中出现了新的杂质DOS峰,气体吸附在纳米线能带结构的价带顶和导带底边缘引入新的杂质能级,从而改变了纳米线的带隙,使得NO2吸附体系的费米能级向带隙移动,导致NO2吸附后WO3纳米线电荷载流子浓度减小,电阻增大。电荷布居分析和电荷差分密度计算结果表明,与WO3(001)纳米线相比,NO2在WO3(010)纳米线表面的吸附会导致更多的电子转移,从理论角度阐明了(010)定向的WO3纳米线比(001)定向的纳米线对NO2气体具有更高的理论灵敏度。进一步计算并研究了Ti掺杂对WO3(010)纳米线吸附体系电子转移性能的影响。Ti原子以替位方式进入纳米线晶格的W原子位形成掺杂结构纳米线。通过对不同掺杂体系的能量分析发现,相对于纯净纳米线,掺杂纳米线的能量均有所提高,即掺杂使得纳米线稳定性降低。对比掺杂前后纳米线的DOS峰值,发现Ti掺杂引入了新的杂质DOS峰,Ti原子与周围邻近原子发生相互作用,使得电子波函数交叠,改变了WO3纳米线的带隙,并使费米能级上移,导电性能发生改变;电荷布居分析和电荷差分密度表明,与纯相WO3纳米线相比,Ti掺杂导致更多电子从WO3纳米线向NO2转移,表明Ti掺杂改性是一种提高WO3纳米线基气敏传感器NO2灵敏度的有效途径。此外,建立了其它气体(O3、NO、NH3、H2S)在WO3纳米线和Ti掺杂WO3纳米线表面的吸附模型并进行了电子布局计算,结果表明,WO3纳米线对NO2气体具有高的灵敏度和好的选择性。
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