【知识点详解】
本文主要探讨了基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）在研究金红石二氧化钛（TiO2）磁性和光学性质中的应用。金红石TiO2是一种广泛应用于太阳能电池、光催化剂和光电材料的半导体材料。通过对N、Co单掺杂及(N, Co)共掺杂的金红石TiO2进行理论计算，揭示了掺杂对其性能的影响。
1. **第一性原理与密度泛函理论**：
第一性原理是一种计算方法，它基于量子力学的基本原理，无需任何经验参数，可以预测物质的物理和化学性质。密度泛函理论（DFT）是第一性原理的一种实用形式，特别适用于固态系统的计算，能够有效处理电子结构问题，包括磁性和光学性质。
2. **N掺杂的金红石TiO2**：
使用2x1x1的超原胞，掺杂浓度为12.5%，计算结果显示总磁矩为0.960 μB。非磁性元素N的掺杂引入了磁性，N的p电子在禁带中形成一个空穴能级，s电子在价带形成一个深空穴能级。这种掺杂导致材料在可见光范围内的光学吸收能力显著增强。
3. **Co掺杂的金红石TiO2**：
计算采用2x2x1的超原胞，掺杂浓度同样为12.5%，总磁矩为1.03 μB。Co的d电子在费米面附近的能带与总态密度非常相似，导致禁带宽度减小，光学吸收区域向长波方向移动，光学吸收能力在可见光区增强。
4. **(N, Co)共掺杂的金红石TiO2**：
这种情况下，N和Co的掺杂浓度分别为6.25%和12.5%，总磁矩为0.916 μB。N和Co原子之间存在p-d杂化效应，使得能带在费米面附近发生劈裂，赋予材料类似半金属的特性。虽然禁带宽度减小，但由于杂质原子间的复杂相互作用，光学吸收能力在可见光区域反而较单一Co掺杂弱。
5. **磁性质**：
掺杂改变了金红石TiO2的磁性，N掺杂产生非零磁矩，Co掺杂则显著增强了磁性。共掺杂时，N和Co之间的相互作用影响了磁矩大小，并可能导致新的磁有序现象。
6. **光学吸收**：
掺杂对金红石TiO2的光学吸收性能有显著影响。N掺杂增加了可见光区的吸收，Co掺杂导致吸收边红移，而(N, Co)共掺杂虽然降低了可见光区域的吸收能力，但产生了新的光学特性。
通过第一性原理和密度泛函理论，我们可以深入了解材料的微观结构如何影响其磁性和光学性质，这对于优化金红石TiO2在光电子设备中的应用具有重要意义。这些理论计算结果为进一步实验研究提供了理论指导，有助于设计新型功能材料。
