基于GGA+Ud+Up方法的不同形貌TiO2電子結構性質研究

王松林，任 君，李永祥

(中北大學 化學工程與技術學院，山西 太原 030051)

0 引 言

半導體光催化降解環境污染物已引起人們的極大關注.二氧化鈦(TiO2)作為一種光催化全明星級別的半導體材料，具有成本低、光吸收率高、在寬pH值和電壓范圍內具有良好的化學和光學反應穩定性等優點，在光催化領域具有廣闊的應用[1-5].眾所周知，TiO2本征禁帶寬度(金紅石為3.0 eV，銳鈦礦為3.2 eV)的主要缺點限制了其在波長小于380 nm的紫外光區的光化學吸收，從而阻礙了其在可見光區的應用.另外，半導體的另一個重要競爭過程是電子-空穴復合，其傾向于阻止載流子向表面轉移.因此，為了更好地進行光催化反應，需要有效地延長電子-空穴復合所需的壽命.在大量的實驗和理論研究中，人們往往通過在TiO2的晶相中摻雜金屬或非金屬降低TiO2帶隙，以提高TiO2的光吸收和電荷輸運效率[6-14].然而，由于理論方法的局限性，很難找到一種合適的方法使得計算帶隙值與實驗結果吻合，如標準DFT的一個主要缺點是難以用局部或半局部近似(局部密度近似(LDA))和廣義梯度近似(GGA))正確地描述過渡金屬和鑭系元素或錒系元素中的局域d或f電子，這是由于LDA或GGA函數固有的自相互作用誤差，導致了對部分占據態的非定域化，并且常常嚴重低估了TiO2的帶隙.為了平衡電子的離域和局域化來克服這些限制，進而得到正確的摻雜和氧缺陷行為，通常采用在位庫侖-哈伯德U修正(the on-site Coulomb HubbardUcorrection)和雜化泛函方法來處理電子的自相……