空位缺陷金红石型tio2电子结构和光学性质的理论研究

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1、空位缺陷金红石型TiO2电子结构和光学性质的理论研究杨志怀张云鹏许强张美光张蓉西安理工大学材料科学与工程学院宝鸡文理学院物理与光电技术学院西北工业大学理学院摘要：基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理模守恒赝势方法，对纯金红石型TiO2和Ti、0两种空位缺陷相的几何结构、能带结构、态密度（DOS）以及光学性质进行了系统地对比研究。结果发现，含有空位缺陷的TiO2键长增大，原子布局值减小并出现微弱的磁性;空位缺陷导致导带变窄，导带和价带都向低能级方向移动，由空位原子贡献的载流子增强了体系的电导率，费米能级上移进入导带;与纯金红石型1^02的

2、直接带隙宽度（3.0eV）相比较，Ti空位缺陷相转变为P型半导体且直接带隙为1.816eV，而0空位缺陷相转变为n型半导体且间接带隙为1.961eV。同吋，两种空位缺陷结构的介电峰显著红移，折射率有明显变化，对可见光区的吸收系数均比纯Ti02高。与0空位结构相比，Ti空位结构的介电常数、折射率、消光因子和对可见光的吸收强度更大，更能增强电子在低能端的光学跃迁，具有更佳的可见光催化性能。关键词：第一性原理;电子结构;光学性质;金红石型Ti02;空位缺陷;作者简介：杨志怀（1967-），男，副教授，博士研究生，主要研宄方向为光电功能材料.作者

3、简介：张云鹏，E-mail:ypzhang@xaut.edu.cn收稿日期：2017-03-02基金：国家自然科学基金（11547247，11704007）StudyonelectronicandopticalpropertiesofvacanciesrutileTi02YANGLZhi-huaiZHANGYun-pengXUQiangZHANGMei-guangZHANGRongSchoolofMaterialsScienceandEngineering，XizanUniversityofTechnology;CollegeofPhys

4、icsandOptoelectronicsTechnology，BaojiUniversityofArtsandSciences;SchoolofNaturalandAppliedScience，NorthwesternPolytechnicalUniversity;Abstract：Thecrystalstructures,bandstructures,densityofstatesandopticalpropertiesofTiand0vacanciesinrutileTiO2incomparisionwiththoseofpurer

5、utileTi02areinvestigated,byusingthefirstprinciplcsbasedondensityfunctionaltheory(DPT)methodandthenormconservingpseudopotentialscheme.Theobtainedresultsshowthatbothvacancy-dopedstructuresexhibitaweakmagnetism,andalargerbondlengthandatomicpopulationforTi-0bond.Theconduction

6、bandgapsdecreaseandbothconductionandvalencebandsmovetowardsthelowenergydirectioninthevacancy-dopedstructures,andthecontributionofatomicvacancycarriersthusenhancestheelectricalconductivityofthesystem.ByintroducingvacanciesinrutileTiO2,theTi-vacancyphaseshowsap-typesemicond

7、uctingnaturewithenergygapof1.816eV,andthe0-vacancyphaseshowsann-typesemiconductingnaturewithenergygapof1.961eV.Meanwhile,thedielectricpeaksofthevacancy-dopedstructuresdisplayasignificantredshift,andpossessahigherabsorptioncoefficientthanthatofpureTiO2inthevisibleregion.Co

8、mparedwith0"vacancystructure,thelargerdielectricconstant,refractiveindexandextinctionfactorforvi