萤石结构TiO2的电子结构和光学性质
关丽;刘保亭;李旭;赵庆勋;王英龙;郭建新;王书彪
【摘 要】利用第一性原理计算了立方相萤石TiO2的晶胞参数,能带结构和电子态密度.结果显示萤石TiO2属于间接带隙半导体材料,其间接禁带宽度(Γ→X)Eg为2.07 eV,比常见的金红石和锐钛矿TiO2的禁带宽度窄.为了更清楚地了解萤石的光学性质,利用Kramers-Kronig色散关系,分别对萤石和金红石TiO2的复介电常数、吸收率等参数进行了计算,并将二者结果做了比较.其中萤石TiO2的静介电常数为8.31.金红石TiO2的静介电常数表现为各向异性ε1xy(0)=6.01和ε1z(0)=7.07,该计算结果与实验值一致.吸收光谱的对比结果显示萤石结构在51nm和153 nm处增加了新的吸收峰,并且吸收光谱范围已扩大到了可见光区. 【期刊名称】《物理学报》 【年(卷),期】2008(057)001 【总页数】6页(P482-487)
【关键词】萤石结构TiO2;密度泛函理论;能带结构;光学性质 【作 者】关丽;刘保亭;李旭;赵庆勋;王英龙;郭建新;王书彪
【作者单位】河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002;河北大学物理科学与技术学院,保定,071002 【正文语种】中 文
【中图分类】其他
第 57 卷 第 1 期 2008 年 1 月1000-3290/2008/57(01)/0482-06物 理 学 报ACrrA PHYSICA SINICA V01.57,No.l,January,2008C92008 Chin.Phys.Soc.萤 石 结 构 Ti02 的 电 子 结 构 和 光 学 性 质*关 丽 + 刘 保 亭 李 旭 赵 庆勋 王英 龙郭 建 新王书 彪（河北大学物理科学 与技术学院，保定 071002 ）（ 2007 年 5 月 16 日收到 ； 2007 年 5 月 25 日收到修改稿）利用 第一性原理计算 了立方相萤石 Ti0 ， 的晶胞参数 ， 能带结构 和 电子态密度 ． 结 果显 示 萤 石 Ti02 属 于 间 接带 隙半导体材料 ，其间接禁带宽度 (r — X)E ， 为 2.07eV， 比常 见 的金红 石 和锐钛 矿 Ti0.的 禁带宽 度窄 ． 为 了更 清楚 地了解萤石 的光学性质 ，利用 Kramers-Kronig 色散关系 ，分别对 萤 石 和 金 红 石 Ti0 ： 的 复介 电常数 、吸 收率 等参数进 行 了计算 ，并将二者结果做 了 比较 ， 其中萤石 Tioz 的静介 电常数 为 8.31.金 红 石 Tioz 的静介 电常数 表现 为各 向异 性￡．。 (0)=6.0l 和￡，： (0)=7.07 ，该计算结果与实验值一致 ， 吸收光谱的对 比结 果显 示萤石结构在 51nm 和 153nm处增加 了新 的吸收峰 ，并且吸收光谱范围 已扩大到 了可 见光区 ． 关键词 ： 萤石结构 Ti0 ， ， 密度泛 函理论 ， 能带结构 ， 光学性质PACC: 7280J,7115J,7125R,7865M
1 ． 引 言二氧化钛 ( Ti0， )材料 因 具 有 较 宽 的 禁带 宽 度 、 催化活性高 、化学 稳 定性 好 等优 势 ， 在 光催 化 、 光 电 转换 、复合涂料等领域有广泛 的应用 ，成 为近 年来 国 内外许 多高校 和研究结构 关 注 的焦 点1-5] ， - 般 的 ， 人们认 为 Ti0 ， 存 在 三 种 异 构 体 ：金 红 石 (rutile) 、 锐钛矿 ( anatase) 和 板 钛 矿 (brookite) ， 分 别 如 图 I(a)- (c)所示 ， 金 红 石 和 锐 钛 矿 两 种 结构 的 Ti02 性 能 稳定 ， 目前 国 内对 Ti0 ， 的研究 主要针 对这 两 种 结构展开 【 6-9] ． 前者广 泛 用 做 白色颜 料 、 遮 光 剂 、栅 极 材 料等 ； 后 者主要用
在光催 化 剂 和 纳 米结 构太 阳 能 电池 等领域 ． 而板钛矿结构 由 于稳 定 性 差 且 结 构 相 对 复 杂，很 少用 于商用 ， 因此研究 和实际应用 均较 少 ．最近 ，Swamy和 Kim 等人分 别报 道 了对 Ti0 ， 材料 的最新 研 究 成 果‘ 1'3]． 在 48CPa 的 高 压 和 1900- 2100K 的高温条件下 ，Ti0 ， 会从 金 红 石 结 构转 变 为立方 相 的 萤 石 结 构IO] ． 他 们 发 现 这 种 立 方 相 萤 石 (fluorite) 结构 Ti0 ， 材 料 在 高压 条件 下 可 稳 定 存 在 ，且其体积弹性模量等力学性质不 同于常见 的金红石 或锐钛矿结构 Ti0 ， ， 并 预 言该种 结 构 的材 料 势必 成 为发展前景 广 阔 的新 的超硬 材料…．关 于 萤 石 Ti0 ，的研究 工作 刚刚起 步 ，还 缺乏 对 萤石 Tioz 电子 结 构 及其光学性能 的研究 ，例 如关 于 萤石结 构 Ti0 ， 的禁 带宽度 、复介 电函 数 、 吸 收谱 等 问 题都 未 见 报 道 ． 本 文通 过 第一 性 原 理 方法 计算 了萤 石 Ti0 ， 的能带结 构和 电子 态 密 度 ， 利 用
Kramers-Kronig 色 散 关 系 ， 得 到其复介 电函数等光学 性 质 ， 并 与金 红 石 结 构 Tioz 的相关性质进行 了对 比分析 ． 2． 模 型 建 构和 计 算 方 法本 文 的计算是基于密度泛 函理论 的第一性原理 方法 ， 利 用 了 美 国 Accelrys 公 司 MaterialStudios4.1 软件 中的量 子 力学模块 Castep 程 序包… 】 ．萤石 Ti0 ：结构 为立 方 晶 系 Fm3m 空 间 群 ， 与 CaF2 的 结 构 相 同 ． 在萤石 型结构 中每 个 立 方 原 始单胞 中 Ti4 离 子位于 (o ，o ，o)位置 ，02一离 子位 于 土 （ 4， 丢 ， I ） 位 置 ．每个 Ti“ 离子 的配位数 是 8 ， 每个 02 -离 子位 于 Ti4+离子组成的 四 面体 中心 ， 其结构 如图 l(d) 所示 ． 计算 过程选用 超软赝势 (ultrasoftpseudopotential) 描述价 电 子与芯态 的关系 ，交换关联能分别选用 广义梯度近似( CCA) 和局域密度 近 似 (LDA) ，平 面 波截断能 E 。 =600eV，布里 渊 区 积分采用 Monkhorst-Pack 的特殊 七 一*国家 自然科学基金 （ 批准号 ：50572024 ） ，河 北 省 自然 科学 基金 （ 批准 号 ：E2005000130 ） 和 河 北 大 学 自然 科学 研 究计 划 项 目(批 准 号 y2006080) 资助的课题 ． tE-
萤石结构TiO2的电子结构和光学性质
