过渡金属元素掺杂对钛酸锶电子结构和光学性质的影响

摘要

制约21世纪人类社会可持续发展的两大根本因素是全球的环境问题和能源危机，因此治理环境污染和开发绿色能源是目前科学和工程领域最重要的课题之一。半导体光催化剂具有节能、环保等优点，在制备清洁能源，特别是分解水制氢等方面具有广泛的应用前景。作为一种重要的钙钛矿型氧化物，钛酸锶具有独特的光电性质，具有很高的光催化活性，是一种潜在的高效光催化剂。但钛酸锶的带隙较大，导致其只能吸收占太阳能4％的紫外光，限制了其在实际中的应用。近年来，通过掺杂等方法调控其光催化性能使其对见光响应已成为半导体光催化领域的研究热点之一。本文采用第一性原理方法研究了过渡金属原子Rh、Pd和Ag掺杂对钙钛矿型钛酸锶电子结构、光学性质的影响。取得了以下几方面的研究结果:
　　(1)采用第一性原理方法研究了过渡金属原子Rh掺杂的SrTiO3系统，计算表明，Rh杂质原子进入SrTiO3优先替换Ti原子;在Rh替换Ti的情况下带隙1.9eV，当Rh替换Sr时带隙为2.9eV。Rh原子掺杂能够红移SrTiO3的吸收带边。
　　(2)在Pd掺杂的SrTiO3系统中，结果表明Pd杂质会优先替换Sr原子，在Pd替换Ti的情况下，带隙减小为2.3eV，但Pd在带隙中形成的4d态也是光生电子-空穴对的复合中心，从而降低了其光催化活性;在Pd替换Sr的情况下带隙为1.8eV，使其吸收带边发生明显红移。Pd替换Sr的掺杂能够提高SrTiO3的光催化活性。
　　(3)对于Ag掺杂的SrTiO3系统，我们发现，Ag杂质原子在SrTiO3中优先替换Sr原子;在Ag替换Ti的情况下，能带类型变为间接带隙半导体，其直接带隙为2.4eV，间接带隙为1.3eV。而在Ag替换Sr的情况下带隙为2.1eV，掺杂之后减小SrTiO3的禁带宽度，从而拓展了SrTiO3的光吸收带边。
　　本文计算结果为促进钛酸锶光催化材料的实际应用提供了的理论参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化剂材料概述

1．2．1 半导体光催化剂发展概况

1．2．2 纳米半导体材料的光催化原理

1．2．3 半导体光催化材料技术

1．3 钙钛矿型氧化物概述

1．3．1 钙钛矿型氧化物简介

1．3．2 钙钛矿型氧化物的晶体结构

1．3．3 钙钛矿型氧化物的能带结构

1．3．4 钛酸锶半导体纳米材料的物理特性

1．4 酸锶光催化剂研究现状

1．4．1 钛酸锶光催化剂的制备方法

1．4．2 钛酸锶光催化剂的改性研究现状

1．4．3 钛酸锶光催化剂研究进展

1．5 论文思路及内容

第2章 第一性原理方法简介

2．1 引言

2．2 密度泛函理论

2．2．1 密度泛函理论简介

2．2．2 Henberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4 局域密度近似

2．2．5 广义梯度近似

2．3 赝势平面波方法

2．4 能带电子的平面波基地展开

第3章 Rh掺杂的SrTiO3的计算

3．1 引言

3．2 计算方法和模型

3．3 结果与讨论

3．3．1 晶格常数

3．3．2 杂质形成能

3．3．3 能带结构

3．3．4 态密度

3．3．5 吸收谱

3．4 总结

第4章 Pd掺杂SrTiO3的计算

4．1 引言

4．2 计算模型与方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 晶格常数

4．3．2 杂质形成能

4．3．3 能带结构

4．3．4 态密度

4．3．5 吸收谱

4．4 总结

第5章 Ag掺杂SrTiO3的计算

5．1 引言

5．2 计算模型与方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 晶格常数

5．3．2 杂质形成能

5．3．3 能带结构

5．3．4 态密度

5．3．5 吸收谱

5．4 总结

结论与展望

参考文献

致谢

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