銳鈦礦二氧化鈦堿土金屬摻雜和氰基丙烯酸吸附的理論研究.pdf

1、二氧化鈦是寬帶隙的半導(dǎo)體材料，實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)堿土金屬摻雜對二氧化鈦的性質(zhì)提升有一定幫助。而二氧化鈦半導(dǎo)體電極和染料敏化劑是染料敏化太陽能電池的主要組成部分，染料敏化劑在半導(dǎo)體電極表面的吸附情況將會影響染料敏化太陽能電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率。因此，研究堿土金屬對二氧化鈦的摻雜機制和染料敏化劑在二氧化鈦表面的吸附情況是非常有必要的。
　　本文采用密度泛函理論的方法，應(yīng)用廣義梯度近似中的 PBE泛函和周期性的平板模型，研究了氰基丙烯酸

2、在銳鈦礦型二氧化鈦（101）和（001）表面的吸附情況，分析了可能的穩(wěn)定吸附結(jié)構(gòu)模型，它們的吸附能以及最穩(wěn)定吸附模型的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，氰基丙烯酸在銳鈦礦型二氧化鈦（101）表面最穩(wěn)定的吸附模型是一個解離的雙吸附模型，在這個模型中，氰基丙烯酸中的氮原子和一個氧原子分別與表面上沿[010]方向上的兩個近鄰的鈦原子相連，而解離的氫原子則吸附在表面的一個氧原子上，而這個氧原子和與吸附氰基丙烯酸中氧原子的鈦原子在表面上是成鍵的。氰基丙烯酸在銳

3、鈦礦型二氧化鈦（001）表面最穩(wěn)定的吸附模型也是一個解離的雙吸附模型，不過在這個模型中，氰基丙烯酸中是兩個氧原子分別與表面上沿[100]方向的兩個鈦原子相連，解離的氫吸附在表面的氧原子上重新形成氫氧鍵。氰基丙烯酸在銳鈦礦型二氧化鈦（101）和（001）表面上最大的吸附能分別為1.02和3.25 eV。氰基丙烯酸相對較大的吸附能不僅確保了含氰基丙烯酸的染料敏化劑與二氧化鈦表面的電子耦合，而且增強了包含這類染料敏化劑的染料敏化太陽能電池的熱

4、穩(wěn)定性。對它們最穩(wěn)定吸附模型態(tài)密度的分析不僅表明了氰基丙烯酸和表面之間化學(xué)鍵的形成，也表明了在表面上吸附氰基丙烯酸后提供了一個可行的模式，使得從氰基丙烯酸到二氧化鈦的光誘導(dǎo)電子注入是可行的。
　　本文采用密度泛函理論的方法，使用PBE泛函對堿土金屬摻雜銳鈦礦型二氧化鈦系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、形成能和電子結(jié)構(gòu)進行了計算。因為使用GGA泛函計算時會低估系統(tǒng)的帶隙值，因此我們使用雜化泛函HSE06計算了摻雜系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)，并與PBE計算的結(jié)果進

5、行了比較。結(jié)果表明隨著摻雜原子序數(shù)的增加，周圍氧原子與摻雜原子的鍵長也將逐漸增加。對雜質(zhì)形成能的分析表明，對于 PBE計算結(jié)果來說，鎂摻雜二氧化鈦系統(tǒng)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而 HSE06的結(jié)果則顯示鈣摻雜二氧化鈦系統(tǒng)是最穩(wěn)定的摻雜系統(tǒng)。通過對它們能帶圖和態(tài)密度圖的分析可知，PBE的結(jié)果顯示，鈹摻雜和鍶摻雜二氧化鈦系統(tǒng)帶隙的減小是由于導(dǎo)帶底和價帶頂能量值的變化導(dǎo)致的。通過同樣的方式，鎂摻雜二氧化鈦系統(tǒng)得到了一個比純凈二氧化鈦更大的帶隙值。而鈣摻