2008-12
44(6)
北京师范大学学报(自然科学版)
Journal
of
Beijing
Normal
University
(Natural
Science)
591
Ni
、
Cu
、
Pt
掺杂改性锐铁矿相
Ti0
2
原理的全势
线性缀加平面波法分析关
程肯
1
，
2)
廖斌
2)
侯兴刚
3)
罩礼钊
2)
刘安东
2)
胡薇薇1)
刘培生1.
2)
↑
(1)北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京师范大学核科学与技术学院，北京市辐射中心，
100875
，北京
5
2)
北京师范大学材料科学与工程系，
100875
，北京;
3)
天津师范大学物理与电子科技学院，
300387
，天津〉
摘要利用基于密度泛函理论
CD
盯)的全势线性缀加平面波
(FP-LAPW)
法，计算并比较
Ni
、
Cu
、
Pt
掺杂前后锐铁
矿相
TiO
z
晶体的能隙和电子态密度.计算结果表明
，
Ni
、
Cu
、
Pt
掺杂后
Ti0
2
的带隙分别为
1.
33
、1.
87
和1.
17
eV
，相对
于未掺杂的锐铁矿相
TiO
z
(
带隙为
2.30
eV)
都有明显的变窄，因而使吸收光谱红移.对于相同剂量的掺杂，同周期的
Ni
比
Cu
的掺杂效果更明显，同副族的
Pt
比
Ni
的掺杂效果更明显.
关键词
锐铁矿相
TiO
z
;
能隙;电子态密度;全势线性缀加平面披
(FP-LAPW)
自从
Fujishima
等
[IJ
发现金红石相
TiO
z
晶体制
作的电极能经紫外光激发产生光电离作用分解水制备
氢气以来，纳米二氧化铁光催化材料得到日益广泛的
关注.由于作为宽带隙半导体(禁带宽度为
3.23
eV)[zJ
，传统的
TiO
z
仅在紫外光激发下才有明显效
果.实验表明，过渡金属掺杂是增强对可见光源利用的
有效途径之一
[34
，这引发了最近对
Ti0
2
材料性质的
深入理论研究
[5-6J.
Saila
Karvinena[7
J
运用基于第一性
原理的
Hartre
e-
Fork
方法，用原子团簇模型计算了金
属离子掺杂
Ti0
2
的电子结构，结果表明锐铁矿相
Ti0
2
中的
Ti
3+、
V
3+、
Cr
3+、
Mn
3+、
Fe
3+掺杂都可以
使禁带宽度减小.张勇等
[8J
利用平面超软腰势方
法
CUSP)
研究了锐铁矿相
Ti0
2
及
Fe
掺杂
Ti0
2
的晶
体结构和能带结构，结果说明
Fe
掺杂导致电子区域
能级的出现和禁带变窄，从而导致吸收光谱红移.但这
些理论研究中作者未见分析并比较
Ni
、
Cu
、
Pt
掺杂对
锐铁矿相
Ti0
2
电子态密度和能态结构的影响的报
道.本文试图利用全势线性缀加平面波
CFP-LAPW)
方法回验证前述的理论分析结果.
1
计算模型和方法
Ti0
2
有
3
种晶型，分别是:锐铁矿(四方晶系)、金
红石(四方晶系)和板铁矿(斜方晶系
).其中锐铁矿的
光催化能力最强，因而尤其受到重视与关注.本文计算
的是锐铁矿相
Ti0
2
.
锐铁矿相
Ti0
2
晶体结构可看作
是变形且相互连接的
Ti0
6
2
八面体组成如图
1.每个
晶胞由
4
个
Ti0
2
单元构成，空间群属于
141/amd
，配
位数为
6
，即每个
Ti
被一个八面体的
6
个
O
所包围.
它的八面体有明显的斜方晶畸变，处于八面体
2
个顶
点上的
O
原子与中心位置
Ti
原子之间的键长存在拉
长.锐铁矿相
Ti0
2
的体材料的能隙为
3.23
eV[2J.
.0
•
Ti
」
图
1
锐铁矿相
Ti
(h晶体结构
本计算采用的全势线性缀加平面波
CFP-LAPW)
方法是对
APW
方法的改进[町，使计算大为简化，现已
成为最为精确且有效的计算方法之一.相比其他能带
结构计算方法，
FP-LAPW
解决的是
Kohn-Sham
方程
的多电子问题.
FP-LAPW
计算采用
WIEN2k
软
1
lj:J!
O]
•
替北京市教委凝聚态物理重点学科共建资助项目(泪(1
00270454);
国家大学生创新性实验计划资助项目
(211127002)
↑通信作者
收稿日期:
2008-06-03
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