稀土元素掺杂锐钛矿相Tio2的结构磁性光电材料的第一性原理研究.docx

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稀土元素掺杂锐钛矿相Tio2的结构磁性光电材料的第一性原理研究

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本论文是黑龙江省教育厅2017年度科研备案项目（项目编号：1352MSYYB001）的阶段性研究成果。

摘要：利用密度泛函理论，建立了没有掺杂Tio2和单掺杂的Tio2模型,通过几何优化，分析了掺杂Tio2模型的稳定性，通过计算自旋电子数分析不同模型的磁性。并对结果进行了分析加以验证，讨论了稀土元素掺杂tio2对其结构和吸收光谱的影响。结果表明ce和Nd掺杂的tio2使其具有反磁性，Ce中掺杂tio2对能带结构影响小，吸收光谱移动不明显。TiO2掺杂在pr中，则使pr在红外光区出现吸收峰。

关键词：稀土元素；Tio2；光电材料

1引言

Tio2是一种金属氧化物，廉价无毒且稳定性好，是一种金属半导体。自从19世纪60年代Tio2被发现具有催化作用以来，Tio2经常被用作太阳能的催化剂。锐钛矿相的tio2的催化效果最好，但是其对太阳能的利用率低于5%。通过研究人们发现，通过掺杂其他金属可以改善Tio2的光催化性。经过掺杂的Tio2的带隙减小，因此对可见光的吸收系数也增大。通过实验数据的分析对比，3d过渡金属的掺杂可以使Tio2的吸收系数增加。

稀土元素的特殊电子层结构，导致了稀土元素具有特殊的性质。稀土改性也迅速得到研究人员的关注。许多实验发现，tio2通过掺杂稀土元素之后的催化活性显著增强，目前对Tio2光电性质的系研究，除了co、fe等元素的掺杂，其他元素掺杂的报道少之又少。而相关文献的研究结果表明，Tio2完全可以通过其他杂质的掺杂改变其磁性，这也说明Tio2是一种具有开发性的半导体。本文章通过第一性原理，对稀土元素掺杂的锐钛矿的磁性状态和光学催化性质进行分析，为相关实验提供理论依据。

2理论模型与计算方法

2.1理论模型和计算方法高纯度的对称性高，是一个8面体构型，一个tio2分子中包含4个钛原子和8个氧原子。本文基于密度泛函理论，运用平面波超软赝势方法，记录价电子和离子的相互关系，根据La，CePrNd的电子组态，通过几何优化，对各种模型的电子结构、自旋电子结构和吸收光谱进行计算。通过原子中单原子的自旋设置进行晶面切分，然后对晶面的基态总能量进行计算，确定掺杂模型的磁性基态。

3结果与讨论

3.1结构优化分析

通过统计各个模型的物理参数，在晶格常数的排列中可以比较出来，这次实验的实验结果和计算值基本一致，误差低于1%数据说明本文的计算方法合理可靠。

通过掺杂前掺杂后的能量差的计算，结果表示，掺杂后体系稳定性变强，这与基态变化的趋势是一致的。实验对Ti-o键长进行了统计，加入Re元素后，Ti-O键长是最大的，说明锐钛矿晶格出现了歧化，是出现这种情况的原因是由于re的离子半径大于钛离子半径，掺杂之后的月，钛矿金额被拉伸。RLaRCeRPrRNd，因此La掺杂时对锐钛矿晶格的拉升效果最大。据报道，这种掺杂会使晶格内部偶极矩变大，而提高晶体的光催化活性。

3.2磁性分析

为了讨论掺杂稀土元素的锐钛矿，Tio2的磁性状态，我们分别选择了4种稀土离子进行掺杂，而对自旋电子密度进行统。通过统计，Tio2的价态与导电均是由于Ti原子的三d轨道和O原子的2p轨道轨道结合，其中Ti的三d轨道对导弹最主要的作用，，而O的2p轨道对于轨道起次要作用。la的参入la的5d电子轨道分裂为两部分，一部分带入导带，一部分带入价带，通过放大观察发现电子，价带区的上下自旋电子密度出现了偏移，显然这是由于La的5d轨道引起的，

由于5d轨道的上自旋和下自旋密度的不对称，引起了极化导致O的2p轨道和Ti的三d轨道自旋电子出现偏移。你的掺杂对天o2，并没有产生可以观测到的词句对比la的分析，虽然CE和La同样都有5d轨道，但是CE的5d电子密度却小于La的4f轨道的电子密度，由于ce的4f轨道的电子的自旋态密度位于导带的上侧和下侧对称分布，所以CE的掺杂对于锐钛矿来说，没有出现明显的磁距。pr/nd的掺杂对于锐钛矿来说，电子密度偏移十分明显。

3.3能带结构分析通过未掺杂稀土元素的tio2的能带结构统计，本文计算出锐钛矿的禁带宽度的值与文献的计算结果一致，但小于实验中的测量值。这是由于GGA近似方法而导致的误差。从实验结果可以看出，Ce掺杂锐钛矿的的能带结构无法区分上自旋和下自旋能级，这就说明上下自旋并没有受到任何影响，所以说Ce掺杂锐钛矿是顺磁体。Pr的4f轨道电子区域性增强，导致pr的4f轨道得诱导极化的总磁距变大。根据报导，p24f6道极化的影响是有局限性的，正是因为这个原因，使得pr掺杂锐钛矿时表现出来的能级分裂效果主要体现在4f能级上。

4结论

本文通过第一性原理作为基础，对稀土元素单独掺杂锐钛矿进行了计算，得出了以下的结果。La，pr掺杂的锐，钛矿存在明显的亚铁磁