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宽禁带半导体光学材料二氧化钛(Ti O2)以其优良的光电性能、高光能转换效率、强氧化性、无毒等特性,在太阳能电池及光催化等技术领域具有重要的应用,使其成为当前的研究热点。然而,由于Ti O2材料本身的属性,许多潜在的应用受到严重的限制,其中禁带宽度较大(~3.2 e V)与锐钛矿相位的亚稳定性是影响其应用的主要因素。利用金属及非金属离子掺杂改性是拓展二氧化钛应用的重要手段之一。稀土元素的丰富能级结构使其具有优异的光、电、磁和催化性能,从而在半导体材料领域得到重要关注。近年,稀土元素(La,Ce,Pr,Eu,Dy等)掺杂Ti O2在光催化、太阳能电池及气敏传感器等领域获得了大量的理论及实验研究,结果表明稀土元素掺杂可以有效改善Ti O2的光催化特性以及提高锐钛矿相的稳定性。本论文研究了稀土元素铥(Tm)及钕(Nd)掺杂对锐钛矿相及金红石相Ti O2的结构和性能的影响。该研究基于密度泛函理论的CASTEP模块,采用GGA-PBE泛函构造了不同掺杂浓度模型,通过量子力学第一性原理计算分析了稀土元素Tm及Nd分别掺杂Ti O2体系的能带结构、电子态密度及光学性质。其主要研究结果有:(1)利用稀土元素Tm替位掺杂锐钛矿相及金红石相Ti O2中的Ti原子,构建了三种不同掺杂浓度(1.39 at%,2.08 at%及4.17 at%)的物理模型,计算分析了掺杂体系的电子结构及光学吸收特性等。能带结构及电子态密度研究结果表明,由于稀土元素Tm的引入,在Ti O2禁带中形成了Tm-4f杂质能级,从而有效地减小了其带隙宽度。其中,锐钛矿相在1.39 at%的掺杂浓度下带隙宽度减小约0.24 e V,金红石相在4.17 at%的掺杂浓度下带隙宽度减小约0.13 e V。光学特性分析结果表明,稀土Tm掺杂锐钛矿相Ti O2体系的光学吸收谱具有明显红移特性。(2)利用稀土元素Nd替位掺杂锐钛矿相及金红石相Ti O2中的Ti原子,构建了三种不同掺杂浓度(1.39 at%,2.08 at%及4.17 at%)的物理模型,计算分析了掺杂体系的电子结构及光学吸收特性等。能带结构及电子态密度研究结果表明,由于稀土元素Nd的引入,在Ti O2禁带中形成了Nd-4f杂质能级,从而有效地减小了其带隙宽度。其中,锐钛矿相在4.17at%的掺杂浓度下带隙宽度减小约0.91 e V,金红石相在4.17at%的掺杂浓度下带隙宽度减小约1.06 e V。光学特性分析结果表明,稀土Nd掺杂金红石相Ti O2体系的光学吸收谱无明显变化。