采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明：N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约

第2 9卷第 4期2l 0 2年 7月

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文章编号：0 12 6 2 1 0 -5 30 1 0 -4 X( 0 2) 40 9—8

N- S共掺杂金红石相 T O2电子结构与 i

光学性质的第一性原理研究冯庆，王寅，王渭华，岳远霞 (庆师范大学光学工程重点实验室，重庆重 404 ) 0 0 7

摘要：用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究 N和 s单掺杂以及 N和 s共掺杂金红石相 TO采 i的能带结构，密度和光学性质 .果表明：掺杂导致禁带宽度减小为 14 V,且在价带上方形成了一条杂质能带；态结 N .3e并 S掺杂导致费米能级上移靠近导带，接带隙减小为 0 3 V;和 s共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带，直 .2e N 靠近导带的一条杂质能级距离导带底约 0 3 V,近价带的一条杂质能级距离价带顶约 0 8 V,质能级主要 .5e靠 . 5e杂由 N原子的 2 p轨道和 s原子的 3 p轨道组成 . N和 s掺杂后不但使 TO i的吸收带产生红移，且在可见光区具有而

较大的吸收系数，催化活性增强.光 关键词：红石； i,第一性原理；N S掺杂；度泛函理论金 TO;—共密中图分类号：04 9 6文献标识码：A

O引言 金红石相 TO是一种宽禁带的过渡金属氧化物半导体，有独特的光学， i,具电学和化学性质，能稳定，性 广泛地应用于光催化剂，感器，电材料，子电子器件和污染物的环境处理等领域 .由于金红石 TO传介量但 i的禁带宽度较宽 (带宽度 E 3 0 e,吸收局限于太阳光中的紫外区，占太阳光总能量的 4左右.禁= . V)光约% 因此为了提高催化活性和转化效率，何减小金红石 TO的禁带宽度成为研究重点.如 i目前最主要的改善方式是掺杂，通过形成杂质能级来减小直接带隙 .

通过非金属离子 (例如 N,s, 3 )… c,F掺杂 TO晶体使其光催化和光吸收活

性提高的实验研究 E 3 i:表现出了较好的效果 . sh等人采用 N替换了 TO Aai i,纳米晶中 0 7%的晶格氧，现其光催化和光吸收活 .5发性有了极大提高；百成等人计算分析了阴离子取代型 s掺杂 TO时 i的能带结构，态密度和电子性质等，分析认为带间能级的出现是阴离子取代型 s掺杂 TO i:吸收光谱发生红移的直接原因；王祖鹪等人的实验表

明 N.掺杂 TO对可见光的吸收优于 N掺杂的 TO,苯酚光催化降解性能较好 .然目前对单一非 S共 i, i对虽金属离子掺杂已有较多的研究，但是 N—掺杂金红石相 TO在理论上还缺乏解释.文运用基于密度泛 s共 i,本函理论的平面波超软赝势的第一性原理方法对单 N掺杂， S掺杂以及 N S共掺杂 TO单 . i进行理论研究 .在

N. s共掺杂 TO i,的研究里， N原子和 s原子分别取代 0原子的位置 .本文旨在通过对单 N掺杂， s掺杂以单及 N—掺杂后的超晶胞进行对比，理论上分析 N s掺杂的情况下所呈现的电子结构和光学性质. s共从—

1模型构建与计算方法金红石相的 TO i属于四方晶系，空问群为 P 2 MN考虑计算机的计算能力以及和实际情况的符合程 4/ M.

度，本文构造了由 4个原胞组成的 ( 2×2×1超晶胞模型如图 1 a所示，晶体结构式为 T ( ) ()其 i O由于晶体对称周期性，顶角原子算 18个，上原子算 1 4个，/棱/面上原子算 1 2个 )分别构建单 N掺杂， s掺杂，—/ .单 Ns共掺杂 TO i的 ( 2× )晶胞模型. N掺杂中， 2× 1超在一个 O原子被 N原子替代 (图 1 b )在 s掺杂中，如 ();一个 O原子被 s原子替代 (图 1 c )在 N s共掺杂中，如 () . .两个 O原子分别被一个 N原子和一个 s原子替代， 形成了 0原子的掺杂浓度为 l .%的掺杂 TO (图 1 d ) 25 i如 ().收稿日期： 0 1— 9—2;修回日期： 0 1—1 21 0 0 21 2—2 3基金项目：国家自然科学基金 ( 10 19资助项目 6 16 2 ) 作者简介：庆 (9 8一)男，教授，要从事半导体功能材料方面的研究， i: n q 16

1 3 cm冯 17,副主 Ema f g一 2@ 6 .o le