Brookite-TiO2晶體光學(xué)、彈性和晶格 熱力學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算

高 嵩,羅 川,王 越

(1.吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 四平 136000；2.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 四平 136000)

TiO2是一種重要的環(huán)境半導(dǎo)體材料,具有化學(xué)性能穩(wěn)定、安全無毒、成本低和資源豐富等優(yōu)點(diǎn),在光催化劑、太陽能電池及生物材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2].通常條件下,TiO2主要存在3種晶體結(jié)構(gòu)：金紅石(rutile,r-)結(jié)構(gòu)、銳鈦礦(anatase,a-)結(jié)構(gòu)和板鈦礦(brookite,b-)結(jié)構(gòu).目前,對r-TiO2和a-TiO2晶體的研究較多.由于制備純凈體材料b-TiO2晶體較難,因此對其實(shí)驗(yàn)研究相對較少[3].自從在實(shí)驗(yàn)上獲得高純b-TiO2晶體后,關(guān)于其物理化學(xué)性質(zhì)的研究已引起人們廣泛關(guān)注[4-5].

與r-TiO2和a-TiO2晶體相比,b-TiO2晶體具有較復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu),空間群為Pbca(61),晶格常數(shù)a=0.921 1 nm,b=0.547 2 nm,c= 0.517 1 nm,每個(gè)晶胞包含8個(gè)分子[6],原子間距和O—Ti—O鍵角與r-TiO2和a-TiO2晶體的原子間距和鍵角類似.主要區(qū)別是b-TiO2有6個(gè)不同的Ti—O鍵長及12個(gè)不同的O—Ti—O鍵角,其鍵長為0.187～0.204 nm,鍵角為77°～105°.

文獻(xiàn)[7]理論計(jì)算了b-TiO2晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì),計(jì)算結(jié)果表明：b-TiO2晶體的帶隙為2.2 eV,體模量B=137 GPa,靜態(tài)介電常數(shù)(各向異性的平均值)為7.89;文獻(xiàn)[8]利用測量光學(xué)吸收邊的方法確定了b-TiO2為間接帶隙半導(dǎo)體,帶隙為1.9 eV；文獻(xiàn)[9]制備了高純b-TiO2晶體,并對其介電性能進(jìn)行了表征,結(jié)果表明,b-TiO2為直接帶隙半導(dǎo)體,帶隙為3.4 eV；文獻(xiàn)[10]利用第一性原理計(jì)算了b-TiO2晶體的晶格熱力學(xué)性質(zhì),并給出了彈性常數(shù)、體模量、剪切模量以及Debye溫度的計(jì)算結(jié)果;文獻(xiàn)[11]利用密度泛函結(jié)合多體微擾理論的方法研究了b-TiO2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì).但文獻(xiàn)中給出的b-TiO2晶體物性數(shù)據(jù)存在分歧,如帶隙大小、光學(xué)常數(shù)及彈性常數(shù)等,且晶……