Теоретическое исследование электронных и оптических свойств анатаза TiO₂, легированного медью, с использованием DFT
Аннотация
Используя метод функционала плотности (GGA-PBE), реализованный в программе CASTEP, мы представляем исследование первых принципов анатаза TiO₂, легированного медью. Изменения в электронной структуре и оптическом отклике были исследованы с использованием модели примитивной элементарной ячейки, в которой один атом Ti заменён атомом Cu (примерно 5% легирования). Наши расчёты показывают, что соответствующие изоповерхности плотности заряда демонстрируют сильную локализацию вокруг места примеси и что включение меди приводит к появлению чётко выраженных примесных состояний вблизи середины запрещённой зоны, возникающих главным образом за счёт орбиталей Cu-3d. Анализ комплексной диэлектрической функции показывает, что переходы, связанные с уровнями в запрещённой зоне, индуцированными медью, ответственны за заметное красное смещение края оптического поглощения. Согласно данному механизму активации видимым светом, легирование медью может существенно повысить фотокаталитические свойства анатаза TiO₂.
Об авторах
Список литературы
Akira Fujishima and Kenichi Honda. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. nature, 238(5358):37–38, 1972.
Stefano Lettieri, Michele Pavone, Ambra Fioravanti, Luigi Santamaria Amato, and Pasqualino Maddalena. Charge carrier processes and optical properties in tio2 and tio2-based heterojunction photocatalysts: A review. Materials, 14(7):1645, 2021.
Brian O’regan and Michael Gr¨atzel. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal tio2 films. nature, 353(6346):737–740, 1991.
Xiaobo Chen and Samuel S Mao. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chemical reviews, 107(7):2891–2959, 2007.
Yaqin Wang, Ruirui Zhang, Jianbao Li, Liangliang Li, and Shiwei Lin. First-principles study on transition metal-doped anatase tio2. Nanoscale research letters, 9(1):46, 2014.
Biswajit Choudhury, Munmun Dey, and Amarjyoti Choudhury. Defect generation, d-d transition, and band gap reduction in cu-doped tio2 nanoparticles. International Nano Letters, 3(1):25, 2013.
Javier Navas, Antonio S´anchez-Coronilla, Teresa Aguilar, Norge C Hern´andez, Desire´e M de los Santos, Jes´us S´anchez-M´arquez, David Zorrilla, Concha Fern´andez-Lorenzo, Rodrigo Alc´antara, and Joaqu´ın Mart´ın-Calleja. Experimental and theoretical study of the electronic properties of cu-doped anatase tio 2. Physical Chemistry Chemical Physics, 16(8):3835–3845, 2014.
Abdullah M Alotaibi, Benjamin AD Williamson, Sanjayan Sathasivam, Andreas Kafizas, Mahdi Alqahtani, Carlos Sotelo-Vazquez, John Buckeridge, Jiang Wu, Sean P Nair, David O Scanlon, et al. Enhanced photocatalytic and antibacterial ability of cu-doped anatase tio2 thin films: theory and experiment. ACS applied materials interfaces, 12(13):15348–15361, 2020.
M Ikram, E Umar, A Raza, A Haider, S Naz, d A Ul-Hamid, J Haider, I Shahzadi, J Hassan, and S Ali. Dye degradation performance, bactericidal behavior and molecular docking analysis of cu-doped tio2 nanoparticles. RSC advances, 10(41):24215–24233, 2020.
Meili Guo and Jiulin Du. First-principles study of electronic structures and optical properties of cu, ag, and au-doped anatase tio2. Physica B: Condensed Matter, 407(6):1003–1007, 2012.
MD Segall, Philip JD Lindan, MJ al Probert, Christopher James Pickard, Philip James Hasnip, SJ Clark, and MC Payne. First-principles simulation: ideas, illustrations and the castepcode. Journal of physics: condensed matter, 14(11):2717, 2002.
John P Perdew and Alex Zunger. Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems. Physical review B, 23(10):5048, 1981.
John P Perdew. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 77:3868, 1997.
R Asahi, Y Taga, W Mannstadt, and Arthur J Freeman. Electronic and optical properties of anatase tio 2. Physical Review B, 61(11):7459, 2000.
oshio Nosaka and Atsuko Y Nosaka. Reconsideration of intrinsic band alignments within anatase and rutile tio2, 2016.
R Jaiswal, J Bharambe, N Patel, Alpa Dashora, DC Kothari, and Antonio Miotello. Copper and nitrogen co-doped tio2 photocatalyst with enhanced optical absorption and catalytic activity. Applied Catalysis B: Environmental, 168:333–341, 2015.
Paruchai Pongwan, Khatcharin Wetchakun, Sukon Phanichphant, and Natda Wetchakun. Enhancement of visible-light photocatalytic activity of cu-doped tio2 nanoparticles. Research on Chemical Intermediates, 42(4):2815–2830, 2016.
Vanaraj Solanki, Shalik Ram Joshi, Indrani Mishra, D Kanjilal, and Shikha Varma. Formation of anisotropic nanostructures on rutile tio2 (110) surfaces and their photo-absorption properties. Metallurgi- cal and materials transactions A, 49(7):3117–3121, 2018.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.