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Doping anatase TiO2 with group V-b and VI-b transition metal atoms: a hybrid functional first-principles study

机译:掺杂锐钛矿TiO2与V-b族和VI-b族过渡金属原子:a   混合功能第一原理研究

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摘要

We investigate the role of transition metal atoms of group V-b (V, Nb, andTa) and VI-b (Cr, Mo, and W) as n- or p-type dopants in anatase TiO2 usingthermodynamic principles and density functional theory with theHeyd-Scuseria-Ernzerhof HSE06 hybrid functional. The HSE06 functional providesa realistic value for the band gap, which ensures a correct classification ofdopants as shallow or deep donors or acceptors. Defect formation energies andthermodynamic transition levels are calculated taking into account theconstraints imposed by the stability of TiO2 and the solubility limit of theimpurities. Nb, Ta, W and Mo are identified as shallow donors. Although Wprovides two electrons, Nb and Ta show a considerably lower formation energy,in particular under O-poor conditions. Mo donates in principle one electron,but under specific conditions can turn into a double donor. V impurities aredeep donors and Cr shows up as an amphoteric defect, thereby acting as anelectron trapping center in n-type TiO2 especially under O-rich conditions. Acomparison with the available experimental data yields excellent agreement.
机译:我们使用热力学原理和密度泛函理论(Heyd-)研究了Vb(V,Nb和Ta)和VI-b(Cr,Mo和W)过渡金属原子在锐钛矿TiO2中作为n型或p型掺杂剂的作用。 Scuseria-Ernzerhof HSE06混合功能。 HSE06功能为带隙提供了现实的价值,可确保将掺杂剂正确分类为浅或深的供体或受体。考虑到TiO2的稳定性和杂质的溶解度极限,计算出缺陷形成能和热力学转变能级。 Nb,Ta,W和Mo被确定为浅施主。尽管W提供了两个电子,但是Nb和Ta显示出相当低的形成能,尤其是在O贫乏条件下。 Mo原则上提供一个电子,但在特定条件下可以变成双重电子。 V杂质是深供体,Cr表现为两性缺陷,因此在n型TiO2中尤其是在富氧条件下充当电子俘获中心。与可用的实验数据进行比较可以得出很好的一致性。

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