异原子与二维材料调控SrTiO3电子结构和光学性质的研究

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1、学校代号10532学号S150700557分类号O469密级不保密硕士学位论文异原子与二维材料调控SrTiO3电子结构和光学性质的研究学位申请人姓名吴娇培养单位物理与微电子科学学院导师姓名及职称余亚斌教授学科专业物理学研究方向计算凝聚态物理论文提交日期2018年5月15日学校代号：10532学号：S150700557密级：不保密湖南大学硕士学位论文异原子与二维材料调控SrTiO3电子结构和光学性质的研究学位申请人姓名：吴娇导师姓名及职称：余亚斌教授培养单位：物理与微电子科学学院专业名称：物理学论文提交日期：2018年5月15日论文答辩日期：2018年5月28日答辩委员会主席：王玲玲教授

2、StudyontheElectronicStructureandOpticalPropertiesofSrTiO3controlledbyHeteroatomsandTwoDimensionalMaterialsByWUJiaoB.S.(Hunanuniversityofartsandscience)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofScienceInPhysicsintheGraduateSchoolOfHunanUniversitySupervisorPro

3、fessorYUYabinMay，2018异原子与二维材料调控SrTi03电子结构和光学性质的研究摘要随着社会经济的不断发展，环境污染和气候变暖问题日益严峻，促使人们对以生产清洁和可再生能源的新技术展开研究。在21世纪，氢能源被认为是发展清洁能源的最具潜力的能源。在各种制氢的方法中，利用太阳光催化分解水制氢被认为是最具前瞻性的方法。近年来，半导体光催化技术被证明是一种极具潜力的低成本、环保和可持续的技术，可以解决化学合成、能源短缺和环境修复等问题。在寻找高效催化剂的过程中，SrTiO3由于其耐光化学腐蚀性能强，光催化活性高，已成为当前材料研究领域的研究热点。在本工作中，基于第一性原理计

4、算研究了异原子共掺杂与复合二维材料对SrTiO3的电子结构和光学性能的影响。具体研究结果如下：(1)基于异原子掺杂SrTiO3，系统研究了五种掺杂模型(Cr@Ti-SrTiO3、Cr@Sr-SrTiO3、B@O-SrTiO3、(Cr@Ti,B@O)-SrTiO3、(Cr@Sr,B@O)-SrTiO3)。重点讨论金属Cr掺杂在不同的阳离子位置与非金属B共掺杂的协同效应。结果表明，SrTiO3的光学吸收范围通过掺杂可以有效调控。两种共掺杂体系(Cr@Sr,B@O)-SrTiO3和(Cr@Ti,B@O)-SrTiO3的禁带宽度较SrTiO3都变窄，但费米能级附近的能级位置不同，说明当Cr掺杂

5、在不同的阳离子位置时，非金属B与金属Cr共掺杂的协同作用不同。SrTiO3通过掺杂可以提高其光催化活性主要是因为带隙的减小和中间能级的出现。特别是，(Cr@Sr,B@O)-SrTiO3模型没有出现氧空位，保持了电荷平衡，使得其光吸收范围可覆盖整个可见光区域光吸收强度显著提高。这一研究结果可为已有的实验结果提供合理的解释，并有助于设计SrTiO3基高效光催化材料。(2)以MoS2为例，系统研究了界面相互作用对二维材料过渡金属硫化物/SrTiO3复合材料的电子结构和光学性能的影响。结果表明，与纯SrTiO3相比，MoS2/SrTiO3(100)复合材料具有更小的带隙(1.732eV)，其吸

6、收光谱覆盖至整个可见光区，甚至红外区，与SrTiO3相比，复合材料的光催化活性更好。MoS2修饰的SrTiO3(100)复合材料在界面处形成了异质结，促进光生电子和空穴的分离，从而提高了SrTiO3的光催化活性和稳定性。同时在光照下，电子从Mo4d轨道跃迁到SrTiO3，从而增强了后者的还原活性，这表明单层的MoS2是一种有效的敏化剂。而且，可以使单层MoS2中惰性的Mo原子转变为催化活性位点，使其成为助催化剂。这些结果为研发高效的SrTiO3或MoS2基的光催化材料提供了理论依据。关键词：第一性原理计算；异原子掺杂；电子结构；光学性质；SrTiO3；MoS2II硕士学位论文Abstr

7、actWiththedevelopmentofthesocialeconomy,environmentalpollutionandclimatewarminghavebecomemoreandmoreserious,promptingpeopletoconductresearchonnewtechnologiesforproducingcleanandrenewableenergy.Inthe21stcentury,hydrogenenergy