锐钛矿tio2及其掺fe所导致的红移现象研究赝势计算和紫外光谱实验

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1、第2"卷第’期&$$2年’月物理学报GM;/2"，QM/’，Y:>A:Z[，&$$2’$$$8#&T$U&$$2U2（"$’）U$#$25K*5V4WIXK5IXQXK5!&$$2KE+>/VE[O/IM

2、研究了锐钛矿型*+,&及-.掺杂*+,&的晶体结构和能带结构，计算表明-.掺杂导致*+,&电子局域能级的出现及禁带变窄，从而导致吸收光谱红移/研究发现，0&1态在红移现象中起了重要作用/紫外透射光谱实验证实了*+,&掺-.后吸收光谱红移和禁带变窄的理论预言/关键词：密度泛函理论，*+,，-.掺杂，红移&’())：%’’23，%’’24，%’’25，##&$6还未被澄清/本文计算了*+,的几何及电子结构并&#L’C引言采用超原胞模型计算了-.掺杂*+,&的电子结构特性/近年来，锐钛矿结构的*+,由于具有良好的物&理、化学特性，如良好的光学特

3、性，有效的光催化性&C计算方法和实验过程［’—2］能等在实验上受到越来越多的重视/这些特性有望在光电和其他领域得到应用/但是，由于锐钛矿第一性原理赝势计算方法广泛用于材料模相*+,属于宽禁带（!［’’，’&］［’#］&1F#C&#.G）半导体，这使得它拟，例如侯柱锋等计算了KAI>的6+嵌入性［’"］只能在紫外光（!H#($>9）照射下才显示出活性/因质；林哲帅等计算了Q:Q,的光学系数，在这些&此，改善*+,&活性，使其良好的性能可以在可见光计算中，计算值与实验值符合得很好/为研究*+,&照射下发挥出来就有特别的意义/近年来，为实现［’

4、2］及其掺杂的有关特性，基于密度泛函理论（R-*）*+,&的可见光响应，研究人员进行了大量的*+,&改下的从头计算和超晶胞方法被应用/正格矢锐钛矿性实验，其中掺杂被认为是改进*+,&活性的有效途*+,&单胞和本文所采用的超晶胞模型分别如图’&L径/I:J:0:等研究了*+,中掺杂KA后对可见光的（:）和（B）所示/超晶胞模型由两个单晶胞沿"轴排&［)］列而成，其中一个*+原子被-.原子取代/*+,基态响应；KEM+等进行了*+,&掺杂&’种金属离子的&#L2L#L#L2L"L#L晶格参量通过晶胞能量最小化获得/采用超软赝势实验，指出-.，

5、3M，NA，,O，N.，G和NE［%］描述价电子与芯态的相互作用，交换8关联能采用广掺杂可以加强*+,的光吸收活性；文献［(—’$］&［’)］对-.#L进行了详细研究/义梯度近似（SS5）/平面波截断能!

6、光催化活性，但胶中加入含有杂质离子的金属盐溶液，本实验采用&是，有关这些杂质元素对*+,&电子结构方面的影响的金属盐为-（.Q,#）#·T4&,/!789:+;：<=0:>1?@AB;+*%,物理学报H,卷图!锐钛矿"#$%模型示意图（&）正格矢晶胞；（’）本文所用的超晶胞模型（一个"#原子被()原子取代）%%!<%&8)7"%!$"#6$9&%，$"#6$9[:&(";)]（，!）*+结果和讨论,,"%!9%&=>?#@()7)/（%）%$"#6$!"#"结构优化图（%&）和（’）给出了晶胞总能量’与"-"及.锐钛矿

7、"#$（!,&-"的关系图，其中".为实验值/获得的参数如表%!-"#$）属四方晶系，每个晶胞!所示/包含四个"#$单元，其中$的位置只与一个内部坐%标%有关，原子坐标分别为："（#.，.，.）利$（.，.，表!优化"#$%几何结构参数所得到的结果基态晶格属性，确定晶格常数"和与实验值及文献报道的比较%）/为获得"#$%［!C］本工作$DE)=?［!F］AB8/&，采用第一性原理001方法计算晶胞总能量，按照;!"

8、!G数"和&/内部参量%由原子受力小于!234-/&/5&<"%+H!*%+H..%+HII;*）*,+.GH*,+,CG*%+.F)7(.（