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碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构与光学性质的第一性原理研究
摘要:
本研究通过第一性原理计算，研究了碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光学性质。研究发现，碳和锌的共掺杂能够显著地改善TiO_2的光学吸收率和光电导率。共掺杂还可增强TiO_2的光催化活性，可望作为一种可行的改良TiO_2的途径。
关键词:共掺杂,锐钛矿相TiO_2,电子结构,光学性质，第一性原理
引言：
钛酸盐作为一种广泛存在的半导体材料，具有高的光电转换效率和较长的光催化降解活性，近年来受到了广泛的研究。其中，锐钛矿相TiO_2结构稳定、电荷转移速率快、能带结构适宜等因素，使得人们特别关注该材料作为光电器件和光催化反应的催化剂的应用。然而，锐钛矿相TiO_2的电子结构及催化性能的完善仍面临一系列问题。为此，共掺杂是近年来的研究热点之一，可以通过掺杂改变材料电子结构，从而提高其一些性能。本研究通过第一性原理计算方法分析了碳和锌的共掺杂对TiO_2的电子结构和光学性能的影响。
方法和计算:
本研究选用VASP软件包对碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO_2进行了模拟计算。GGA-PBE泛函及平面波基组和赝势方法被用于计算相互作用、结构稳定性和电子结构等参数。计算结构大小为5×5×5的单元胞，准静态条件下的结构优化采用了能量最小化法。
结果与分析：
首先，本研究对TiO_2体系中掺杂碳和锌的能量态进行分析。计算结果表明，易于形成C和Zn共掺杂，且在晶格中占据四面体间隙。同时，共掺杂明显降低了TiO_2的GGA总能量，增强了TiO_2晶体结构的稳定性。
其次，本研究针对TiO_2基态密度进行了分析。掺杂碳、锌后，自旋极化等效性得到改善，最高占据轨道（HOMO）和最低空带（LUMO）发生了显著改变。共掺杂对TiO_2的带隙有显著影响，增大了带隙值，提高了光学吸收率，并改善了TiO_2的光电导率。
最后，本研究以TiO_2对甲基橙的光降解反应为例进行了计算。结果表明，共掺杂后的TiO_2对甲基橙有更快的光催化活性，显示出明显的催化效果。
结论：
本研究通过第一性原理对碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光学性能进行了分析，特别是对共掺杂体系的带隙、吸收率和光电导率的对比研究。计算结果表明，共掺杂的TiO_2显示出更高的光催化活性。这表明，通过共掺杂的方法改善TiO_2的电子结构和光催化活性是可行的，因此，可以有望作为改良TiO_2催化剂和光电器件性能的有效途径。