非金属元素掺杂SrTiO3和NaTaO3(001)表面趋势的理论研究

摘要

光催化技术可用于光解水制氢以及降解有机污染物等领域，因而对解决环境污染和能源紧缺问题等方面的应用有非常广阔的前景。光催化材料的研发有助于光催化技术的发展，然而，目前绝大多数已开发材料的带隙均相对较宽，导致在它们表面发生的光催化反应，其吸收范围只在紫外光区。因此，开发具有可见光响应的光催化剂从而提高材料对太阳能的利用率，是日前科学工作者的最重要任务之一。钙钛矿结构的SrTiO3和NaTaO3具有较好光催化活性，在光催化技术方面收到了广泛关注，但由于二者的较宽带隙，限制了它门的应用范围。如果可以将其带隙减小，拓宽其光吸收范围，改善其在可见光下光催化分解水的活性，那么可大大提高其实用价值。本论文应用密度泛函理论(DFT)和混合HSE06方法，计算并分析了非金属元素掺杂对SrTiO3(100)表面和NaTaO3(001)表面对体系禁带宽度以及光催化氧化的影响情况。所用的掺杂元素分别是C,N,F,Si,P,S,Cl,Se,Br,I。我们的主要研究内容是，运用PBE和HSE两种泛函，计算了十种非金属元素掺杂在SrTiO3(001)表面和NaTaO3(001)表面中体系的缺陷形成能、局部几何结构、态密度。
　　掺杂SrTiO3(001)表面得到的结果如下:
　　1.关于晶胞模型的选取，我们分析了包含5层原子和7层原子的掺杂体系的掺杂情况，通过计算两种模型下的缺陷形成能，最终发现模型的大小对体系的几何结构和电子性质的影响甚微。因此，从节能角度出发，本论文主要研究带有五层原子的晶胞。
　　2.对掺杂位置方面，分别考虑了掺杂在钛酸锶(001)表面一层和二层的情况。通过比较得到的形成能，并结合每种掺杂体系的电子结构等相关知识，分析可知:对于大部分的X掺杂系统，富金属条件下比富氧条件的稳定性高;阴离子在顶层比子层更有利于掺杂。所以本文中的主要研究其终端表面的第一层掺杂情况。
　　3.纯表面TiO2终端不但有利于吸收可见光，也有助于提高光氧化的能力。(1)C，Si和P元素的掺杂体系创建了CBM和VBM间的局域分离态，它可以作为复合中心，对光催化是不利的。(2)S或Se元素的掺杂体系用S3P或Se4P轨道诱导新相关带隙的轨道，这应该大力减少了电子从这些轨道激发进入CBM所需的能量，但由于新轨道的局部性质可能会加速载流子复合。(3)N, Br和I元素的掺杂体系不仅能延长吸收边缘到可见光区，而且提高了光氧化和光致还原的能力。
　　掺杂NaTaO3(001)表面得到的结果如下:
　　为了增加研究结果的可靠性，选取了包含七层原子的模型，发现从能量上看，在NaO终端的掺杂比TaO2终端相对更容易形成;纯净表面TaO2终端有助于拓宽光吸收范围;用C和P原子取代O原子在带隙间创建了局域分离态，它可以加速载流子的复合，会减弱半导体材料的光催化活性;S或Se元素掺杂，诱导产生了新的轨道，理论上减少了激发电子所需的能量，使吸收光可能明显红移;N和I元素掺杂的NaTaO3(001)表面会拓宽光吸收范围，减小禁带宽度。

目录

声明

摘要

前言

第一章 绪论

1．1 光催化技术

1．1．1 研究背景及现状

1．1．2 光催化技术的基本原理

1．1．3 光催化技术的重要应用

1．2 SrTiO3光催化材料的研究进展

1．2．1 金属元素掺杂

1．2．2 非金属元素掺杂

1．2．3 两种不同元素共掺杂

1．3 理论计算的应用

1．4 选题意义和主要内容

第二章 理论与计算方法

2．1 Hartree-Fork近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Thomas-Fermi模型

2．2．2 Hohengerg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．3 交换关联泛函

2．4 本文选用的计算软件包

第三章 非金属元素掺杂SrTiO3(001)表面趋势的理论研究

3．1 引言

3．2 计算方法与模型

3．3 纯相SrTiO3的结构和性质

3．4 结果与讨论

3．4．1 掺杂体系的形成能

3．4．2 掺杂在SrTiO3(001)表面的SrO终端

3．4．3 掺杂在SrTiO3(001)表面的TiO2终端

3．4．4 预测光催化应用

3．5 本章小结

第四章 非金属元素掺杂NaTaO3(001)表面相关性质的理论研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 纯NaTaO3(001)表面结构和电子性质

4．3 结果与讨论

4．3．1 掺杂体系形成能

4．3．2 掺杂在NaTaO3(001)表面的TaO2终端

4．3．3 掺杂在NaTaO3(001)表面的NaO终端

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢