盆烯分子与N掺杂锐钛矿型TiO体系所致的禁带宽度变窄现象的第一性原理研究

摘要

本论文首先介绍了计算机分子模拟，以及计算机分子模拟下的材料计算的现状及发展趋势。接着介绍了我们实验室的分子模拟软件(Materiales Studio简称MS)，并对该软件进行了说明，以及对本文工作中用到的两个计算模块(CASTEP和Dmol<'3>)的功能和使用进行了简单介绍。接着叙述了凝聚态物理学中传统的单电子近似理论(HFA)，以及这一问题的更严格、更精确的描述——单电子近似的近代理论(DFT)，以及在这一理论框架下的第一性原理的材料计算方法。结合本实验室的实验工作，选择了本论文研究的材料体系。使用第一性原理计算方法对盆烯分子和锐钛矿型TiO<,2>掺N体系进行了研究。 基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA)算法研究了盆烯分子C<,3n>H<,2n>(n是基底碳环上碳原子的个数n=3～12)的几何结构和电子特性，结果表明当n=3～8时可以形成盆形结构，n=9、10时分子变为平面结构，且对称群均为C<,nv>。n=11、12分子趋于鞍形。此外还研究了它的结合能、能隙、HOMO(Highest occupied molecular orbital)和LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)等，表明这种分子是稳定的，平面结构是这种分子最稳定的构型。且分子的还原能力随着n的增大越来越弱，氧化能力逐渐增强。 采用基于第一性原理的超软赝势方法，研究了本征锐钛矿型TiO<,2>和不同量N掺杂所形成的锐钛矿结构的TiO<,2-x>N<,x>合金的电子结构。计算结果表明N的掺杂导致TiO<,2>晶体的禁带宽度减小，发生了红移现象。并且随着N掺入量的不断增加，TiO<,2-x>N<,x>合金的禁带宽度单调减小。研究发现：掺杂前O 2p态电子决定价带顶的位置，且态密度随N的含量的改变发生了稍微的变化。在价带中N 2p态电子比O 2p电子的能量位置要高，掺杂后N 2p态的电子决定价带顶的位置，且随掺杂量的增大N 2p态的高能端向短波方向发生了的移动。Ti 3d态电子决定导带底的位置，并随N的掺入量的增anTi 3d态的低能端向长波方向发生移动。最终导致了禁带宽度的变窄，发生了红移现象。

目录

文摘

英文文摘

关于学位论文独立完成和内容创新的声明及著作权使用授权书

第一章计算机模拟下的材料计算和Materials Studio计算软件

§1.1计算机分子模拟与材料科学计算

1.1.1计算机分子模拟

1.1.2计算机模拟的发展

1.1.3计算机模拟在材料科学研究中的应用

§1.2材料科学计算机分子模拟的几种主要方法

1.2.1分子力学方法

1.2.2 Monte Carlo方法

1.2.3分子动力学方法

1.2.4量子力学方法

1.2.5计算材料体系的选取和意义

§1.3 Materials Studio计算软件

1.3.1 Castep简介

1.3.2 Dmol3模块简介

参考文献

第二章基础理论简介

§2.1绝热近似(Born-Oppenheimer Approximation)

§2.2哈特利-福克近似:Hartree-Fock Approximation(HFA)

§2.3密度泛函理论(DFT)

2.3.1 Thomas-Fermi模型

2.3.2 Hohenberg-Kohn定理

2.3.3 Kohn-Sham方程

2.3.4关联能的近似方法

2.3.5 DFT理论的优势及局限性

参考文献

第三章盆烯分子的结构、电子性质的第一性原理研究

§3.1绪言

§3.2模型构建

§3.3计算方法

§3.4结果与分析

3.4.1优化结构参数分析

3.4.2稳定性分析

3.4.3电性质分析

§3.5小结

参考文献

第四章N掺杂锐钛矿型TiO2体系所致禁带宽度变窄现象的第一性原理研究

§4.1绪言

§4.2模型构建

§4.3计算方法

§4.4结果与讨论

4.4.1锐钛矿相TiO2的结构优化

4.4.2 TiO2的能带

4.4.3态密度

4.4.4禁带变窄现象的机理研究

§4.5小结

参考文献

第五章工作总结与展望

§5.1主要计算结果

§5.2展望

硕士期间论文完成与发表

致 谢