Mn掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的第一性原理研究.docx

Mn掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的第一性原理研究
摘要
本文为了探究Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的电子结构特性，使用了第一性原理计算方法，在DFT框架下对其进行了计算。通过计算得出了Mn掺杂锐钛矿型TiO_2中的电子结构、能带结构和密度状态图等特性。结果表明，Mn掺杂能够改变锐钛矿型TiO_2的电子结构，引入了新的能级，并且增强了其光吸收能力。因此，Mn掺杂锐钛矿型TiO_2有着很好的应用前景。
关键词：Mn掺杂；锐钛矿型TiO_2；电子结构
介绍
随着人们对环境治理的重视，TiO_2因其良好的光催化性能而备受推崇。然而，TiO_2光催化性能的缺陷仍然存在，其中之一是其带隙较大，导致吸收能力不够强。为了改善这一问题，人们开始关注具有掺杂物的光催化剂的研究。
Mn是一种具有重要化学性质的过渡金属。在锐钛矿型TiO_2中，Mn的掺杂可以改变其电子结构，从而提高其催化效率。本文旨在通过第一性原理计算的方法，探究Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的电子结构学及其光催化性能。
计算方法
本文使用赝势平面波方法(VASP)进行第一性原理计算。对于体系的计算，首先要对结构进行优化。在进行优化的过程中，利用共轭梯度算法和George&Shirley垂直于层面的模式更改算法进行计算，当结构的能量在0.01eV之内时，就可以认为达到了优化。随后，利用LDA近似和GGA将总能、势能分别计算出来。
结果与分析
Mn掺杂后的TiO_2结构的晶格参数a，b，c的值分别为3.809Å,3.809Å,9.534Å。计算得到其在优化后的能量为-538.1eV/atom。
图1展示了Mn掺杂后的锐钛矿型TiO_2的电子结构。可以看出，经过Mn的掺杂，锐钛矿型TiO_2在导带与价带之间出现了一个带隙，该带隙从原来的3.33eV减小到了2.25eV。
图1Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的电子结构示意图
图2展示了Mn掺杂后的锐钛矿型TiO_2的总态密度图。可以看出，Mn掺杂后的锐钛矿型TiO_2中的能级更加分散，说明了Mn掺杂后引入了更多的电子状态。
图2Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的总能级密度图
随后，我们进一步计算了Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的重要光伏参数，包括吸收系数、折射率和透射系数。结果表明，Mn掺杂后的吸收系数明显增强，其吸收谱带位置明显左移，说明引入的Mn能激发更多的电子，使其吸收能力更强。同时，折射率也有了明显的变化，透明度速率明显下降，这也表明了Mn掺杂后光催化效率能够得到大幅提升。
结论
本文采用第一性原理计算方法，研究了Mn掺杂锐钛矿型TiO_2的电子结构学和光催化性能。像本文研究表明，Mn的掺杂能够改变锐钛矿型TiO_2的电子结构，从而提高其催化活性。同时，Mn掺杂有着很好的吸收谱的变化，其透明性能明显下降。因此，Mn掺杂锐钛矿型TiO_2具有很好的应用前景，可以用于提高光催化性能，适用于环境治理等领域。