铌酸盐类晶体光学特性的调控研究

发布时间：2020-05-29 05:27

【摘要】：钙钛矿结构的铌酸盐类晶体因具有高稳定性、耐久性、宽带隙可用性、无毒性或光学性质易调控等优点而在光催化、光伏等领域备受关注。但部分铌酸盐晶体因其宽带隙而仅对紫外光敏感。因此,需要借助外部调控来增强其对可见光的吸收,从而改善该类材料的光学特性,进一步拓展其在光催化领域的应用。部分晶体虽然具有可见光活性,但其光催化活性的物理机理尚需澄清。本文基于平面波赝势方法和密度泛函理论,针对铌酸盐类晶体(KNbO_3,NaNbO_3和SrNbO_3等)的光学特性进行了调控研究。总结出这类晶体光学和光催化性质物理机制的一些基本规律。主要研究结论如下:(1)系统研究了立方、正交和四方KNbO_3晶体的几何结构、力学弹性、电子结构、光学性质和可能的光催化机制。结果表明,立方、正交和四方相均为机械稳定相,并具有明显的弹性各向异性。四方相的[001]方向表现出明显的光学各向异性。从三个体系的电子结构、光生载流子有效质量、迁移率、电子和空穴对复合率以及光吸收谱计算结果判断,KNbO_3三个相光催化活性的相依赖关系由低到高依次为四方正交立方。(2)替位掺杂调控KNbO_3晶体电子结构和光活性的研究。系统研究了KNbO_3晶体中N原子替位Nb和O以及N、F原子对替位O的晶体结构和电子性质。并分析了单、共掺杂调控对体系光活性的影响。结果表明:N替位Nb不同于N替位O,不会在禁带区域引入杂质态来充当电子-空穴对的复合中心,并能降低带隙到2eV左右,从而明显提高KNbO_3的可见光活性。但形成能计算结果表明,N替位Nb比N替位O更难实现。然而,当引入N、F共掺杂替位O之后,F的出现使体系形成能降至N单掺杂替位O以下,并能明显减小带隙到可见光区域,而且在禁带区域也未引入杂质态。同时,不同共掺杂组态的带边缘位置均跨越水的氧化还原电位,故作为光催化剂时能同时析出氢和氧。因此,预计N、F共掺杂能提高KNbO_3体系的光活性。另外,随着共掺杂浓度降低(由5%到2.5%),体系带隙减小,可见光活性增加。(3)采用N、F替位O进行单、共掺杂对立方NaNbO_3晶体的电子结构和光催化性能进行调控。研究发现,F单掺杂只能引起体系带隙略微减小(接近可见光上限值)。N单掺杂尽管能使体系带隙明显减小并增强可见光吸收,但在费米能级以上的禁带区引入了局域的未占据电子态作为电子和空穴的复合中心,从而可能导致更低的光转换效率。不同于单掺杂,N和F替位O双掺杂可有效改善光活性。体系不但具有无污染的禁带,还可明显减小带隙以适合可见光吸收,且禁带边缘位置对比水的氧化还原势均满足分解水的要求。形成能计算结果表明,F和N共掺杂形成电荷平衡体系而促进N的吸收。因此,上述共掺杂策略预计能改善NaNbO_3体系的光催化活性。此外,相比N-F杂质间距最小的组态,当杂质间距增加时,各体系光活性均有不同程度的增强。(4)系统对比了完整SrNbO_3和缺陷Sr_(0.97)NbO_3晶体的结构、弹性和电子性质。基于晶体和电子结构计算的结果,进一步讨论了两体系的光催化活性。结果表明,两体系均为金属性,其电子结构均可划分为完全占据、部分占据和空带三部分。部分占据带到空带的跃迁导致两体系的可见光吸收。从电子结构和晶体结构对光活性的影响分析,预测完整SrNbO_3比缺陷Sr_(0.97)NbO_3具有更强的光催化活性。(5)系统研究了Sr空位缺陷对SrNbO_3电子结构和光催化活性的影响。研究发现,缺陷体系在可见光下也具有较好的光催化活性,但不同于完整SrNbO_3,其光催化活性可能归因于由完全占据带到部分占据带的电子跃迁。其次,从缺陷体系的电子结构、光生载流子有效质量以及电子-空穴对复合率分析,空位浓度较大(约5%)时才能收到明显的调控效果。此时,自旋极化现象明显增强,促使体系带隙(B_(-1)~(__)CB)减小到可见光区域。并且体系两空位分别位于Sr立方体面对角线和体对角线位置时的可见光活性比位于棱位置时更强。
【图文】：

图 3-1 钙钛矿铌酸钾的单胞。(a这里基于 LDA，PBE，PBEsol 和 HS同单胞体积计算了体系总能，，获得的Birch-Murnaghan 状态方程(BM3-EOS)确其压力导数 B蔥137]。相关计算结果与其它在表 3-1。可见，LDA 和 PBE 泛函结果和 HSE06 的结果则与实验符合很好。上述另外，本文对正交相体弹模量的计算值172.89GPa[140]）较符合，说明本文的计算3.3.2 弹性性质3.3.2.1 弹性常数和力学性质材料的弹性常数蕴含了丰富的力学性(a)(b

27图 3-2 四方相的弹性各向异性方向关系图。(a) 杨氏模积模量 B；(d) B的 xy 截面3.3.2.3 德拜温度和声速作为表征材料热力学性质的特征物理参数，德胀和熔点紧密相关。利用基于 Viogt- Reuss-Hill 近似(c)
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O734;O643.36;O644.1

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本文编号：2686473