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Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究
本文基于第一性原理研究Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱的影响。首先介绍了锐钛矿相TiO2的结构和性质，并探讨了掺杂对其影响的原理。然后，对Sm-N共掺杂的TiO2体系进行了计算，并分析了不同掺杂浓度下的电子结构和吸收光谱的变化。
锐钛矿相TiO2是一种广泛应用于光催化、光电子和电化学能量转换等领域的半导体材料。其具有良好的光催化活性和稳定性，但普通的纯TiO2材料的光吸收效率较低，限制了其在光催化领域的应用。因此，人们通过掺杂来改善TiO2的光催化性能。
掺杂会改变TiO2的电子结构和光学性质。根据掺杂元素能级位置与主体材料能带结构的关系，掺杂将导致价带或导带顶部和底部的位置发生变化，从而改变光学吸收和光学能带结构。此外，掺杂还会影响断键和表面活性位点的生成和密度，从而改变光催化反应路径和速率。
本研究选取了Sm和N作为掺杂元素，研究了它们共掺杂对TiO2的影响。采用密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA)方法，用VASP软件包计算了不同浓度(1%、3%和5%)的Sm-N共掺杂TiO2体系的电子结构和吸收光谱。
计算结果表明，Sm-N共掺杂可以有效调节TiO2的能带结构，提高其光吸收率和光催化活性。在掺杂前，锐钛矿相TiO2的导带最高点(CBM)和价带最低点(VBM)分别位于伽马点(G)和可见光区的导带底部，这种位置使得TiO2只对紫外光敏感，限制了其在可见光区的应用。而当Sm和N共掺杂于TiO2晶格中时，导带顶部和价带底部均向可见光区移动，导致TiO2的光吸收范围向长波长方向扩展。尤其当掺杂浓度为5%时，导带顶部和价带底部分别向可见光区移动了0.86eV和0.24eV，使得TiO2在紫外光和可见光区均具有一定的光吸收效率。
此外，在掺杂过程中形成了一些新的能级，如Sm4f电子态和N2p电子态。这些新能级的形成使Sm-N-TiO2体系的光吸收效率比纯TiO2提高了约60%。值得注意的是，当掺杂浓度为5%时，Sm和N之间的距离最近，因此这种掺杂方式最有利于光催化效率的增强。
综上所述，本文研究了Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱的影响。计算结果表明，共掺杂可以显著改变TiO2的光学性质，增加其光吸收率和催化活性。此外，掺杂方式和浓度也对掺杂效果产生了影响，其中Sm和N之间的距离最近的掺杂方式最有利于光催化效率的提高。本研究对于深入理解TiO2光催化机制和优化其光催化性能具有一定的理论和实践意义。