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tio 2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，Ce Pr Nd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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实验对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。RLa > RCe > RPr >RNd，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，Ti o2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性，这种掺杂后的物质是具有开发潜质的新型半导体。Nb掺杂锐钛矿，反而呈现反铁磁性，这种掺杂物质可以转变为电磁材料或者应用在巨型电阻上。CE的掺杂对锐钛矿的影响比较小，因此掺杂Ce的锐钛矿是顺磁体，并且其吸收光谱红移效果不明显。la，nb的掺杂对锐钛矿来说是其中可见光的吸收系数变大，提高了锐钛矿催化剂的太阳光利用率。Pr掺杂的锐钛矿由于在红外区出现了吸收峰，这种材料可以用于红外检测。
参考文献
[1]Mao L Q,Sun X J,Zhang Z J 2007 Sol. Energy 81 1280
[2]Ashai R,Morikawa T,Ohwaki T,Aoki O K,Taga Y2001 Science 293 269
[3]Jing L Q,Sun X J,Shang J 2003 Sol. Energy Mater.Sol. Cells 79 133.
论文作者:张健
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月43期
论文发表时间:2019/9/27
标签：稀土元素论文; 轨道论文; 钛矿论文; 晶格论文; 磁性论文; 电子论文; 密度论文; 《知识-力量》2019年10月43期论文;