高压下钛氧化合物和二氧化锌的结构与性质的第一性原理研究
发布时间：2021-01-15 02:21
TiO2即能利用光催化分解水制氢,又能降解空气、水中的有机污染物,为环境污染和能源危机等问题提供了处理方法。但TiO2的带隙（3.2 eV）远大于理想光电极材料的带隙2.0 eV使其不能应用于可见光区,因此对TiO2带隙的调控成为研究的热点。主要手段是通过掺杂来实现能带间隙变小,但掺杂的方法也会存在诸如引入不利于材料应用性的问题。而高压这一极端条件,可以改变原子间距离和相互作用力,使材料的微观结构、电子性质等发生变化。因此,有必要对高压下钛氧化合物的结构与性质进行研究。我们利用基于遗传演化算法的USPEX软件包对Ti-O化合物在0-20 GPa的高压范围进行了广泛的结构搜索,并利用第一性原理计算方法研究了稳定的晶体结构及其电子特性。我们发现稳定的富氧钛化物结构有:（P-4m2）Ti2O3、（P-62m）TiO和（C2/m）Ti4O7。Ti2O3、TiO和Ti4O
【文章来源】： 杨孟鑫 吉林大学
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
计算物理学、理论物理学和实验物理学的关系
第一章绪论2图1.2不同层次计算方法第一性原理是计算物理里常用的一种方法，是可以获得所研究体系的基本性质的量子计算。运用这种计算得到的被研究体系的物理性质可以更好地与真实的结论相符合，在预测材料性质的能力方面以及在实验方面发挥着重要的作用[3-4]。能够运用第一性原理计算的软件有很多种，目前在结构预测上有基于遗传算法的USPEX、AGA和CALYPSO等，借助泛函计算电子性质的MaterialsStudio、Wien2K、VASP、Quantum-Espresso、FLEUR等。1.2高压技术1bar=1×105Pa，1GPa比1bar大的多，它相当于104个大气压。19世纪末，G塔曼在进行物质体积与压力变化实验中，开始对高压相变进行研究。后又经过科学家们不断的实验探究，对不同压力下的现象规律进行分析，使高压实验技术得到快速的发展，布林奇曼效应以及布林奇曼石均以布林奇曼的名字命名用以突出他对高压研究领域的杰出贡献。高压下物质电子性质变化以及合成是人们关注的焦点，多位科学家致力于此工作，比如HarryDrickamer,TracyHall和毛河光等[5-6]。常压是一个大气压左右，但自然界中的压力范围是非常大的，我们所需求和可控制的压力占大概百分之十，还有大部分的压力范围没有涉及，如图3表示的是人们在实践中所探索的和自然界与宇宙中的压力范围。在这样我们能应用的相对很小的压力范围内，已经发现了很多不同与常压下的性质和现象。高压技术大
第一章绪论3体分为两类，一类是动态高压，作用时间极短，比如原子弹爆炸。另一类是静态高压，如图3所示的太阳，白矮星内部的高压状态，这种状态可持久性长，并保持稳定静止。像这种对行星内部的研究是不能通过直接观察得到的，这就要借助高压这种特殊的条件来间接进行。由于它有这种能够在不改变物质化学组分的情况下对原子间距进行影响的特性。。图1.3自然界和宇宙中的压力范围因为高压的作用，物质的原子或分子之间距离缩短，原子结构可能会发生重新排列，增大压力原子的配位数可能也会增大，对称性变化并伴随着自由能发生改变，这些变化现象统称为相变。材料结构上发生相变的生活现象也是很常见的，比如水遇热蒸发遇冷结冰，这种现象不仅能在温度的改变下发生，在压力的作用下也能实现。高压不仅能使晶体结构发生相变，也会对电子性质产生影响。在极端压力下，外层电子的相互作用会发生改变，从而将导致像材料的弹性系数和体弹模量等物理量的变化。实空间出现电子轨道的重叠和杂化，容易导致在固体中电子的退局域化，使材料的导电性能也发生改变。随着压力的升高，有些材料的帯隙会减小甚至消失，这种现象在单质氧、碘、硅等材料的探究中已有报道[7-8]。还有一些材料，在常温常压下表现为金属性，但在超高压的压缩效应下，内壳层电子云重叠，会转变为半导体或绝缘体，比如吉林大学超硬实验室马琰铭教授课题组在2009年从理论上预测了金属Na在高压下由金属转变成绝缘体或者半导体[9]。高压科学技术应用的学科非常广，先是基于在物理、化学的研究背景下一步步成熟，再逐渐应用于地球科学，天体科学、核技术、新材料工业等领域并取得了一些突破性的成果[10]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用第一性原理研究Ti2O3电子结构和光学性质[J]. 袁峰,张海峰,卢士香. 吉首大学学报(自然科学版). 2016(04)
[2]WO3中单斜相/六方相异相结的构建及提高光催化降解罗丹明B活性（英文）[J]. 卢圆圆,刘果,张静,冯兆池,李灿,李智. 催化学报. 2016(03)
[3]The Stable or Metastable Phases in Compressed Zn-O Systems[J]. 孙光林,黄红梅,李延龄. Chinese Physics Letters. 2016(02)
[4]Hydrothermal preparation of nanocrystalline ZnO2[J]. Guipeng Feng a, Liyun Yang a, , Tianxi Wang b, Jiamin Zhang b, Tianjun Lou b a Department of Chemistry and Chemical Engineering, Xinxiang University, Xinxiang 453000, China b School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China. Particuology. 2012(03)
[5]发展计算物理学为加速四化建设服务[J]. 秦元勋. 计算物理. 1984(01)
博士论文
[1]高压下几种硫族化合物结构与性质的第一性原理研究[D]. 王友春.吉林大学 2019
[2]二氧化钛的表面结构、化学吸附及其光催化特性的密度泛函理论研究[D]. 爨谦.华东理工大学 2014
[3]TiO2表面吸附分子的第一性原理研究[D]. 刘华忠.武汉大学 2013
[4]金属氧化物半导体多孔膜材料光电性能评价的研究[D]. 李华曜.华中科技大学 2013
本文编号：2978026
【文章来源】： 杨孟鑫 吉林大学
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
计算物理学、理论物理学和实验物理学的关系
第一章绪论2图1.2不同层次计算方法第一性原理是计算物理里常用的一种方法，是可以获得所研究体系的基本性质的量子计算。运用这种计算得到的被研究体系的物理性质可以更好地与真实的结论相符合，在预测材料性质的能力方面以及在实验方面发挥着重要的作用[3-4]。能够运用第一性原理计算的软件有很多种，目前在结构预测上有基于遗传算法的USPEX、AGA和CALYPSO等，借助泛函计算电子性质的MaterialsStudio、Wien2K、VASP、Quantum-Espresso、FLEUR等。1.2高压技术1bar=1×105Pa，1GPa比1bar大的多，它相当于104个大气压。19世纪末，G塔曼在进行物质体积与压力变化实验中，开始对高压相变进行研究。后又经过科学家们不断的实验探究，对不同压力下的现象规律进行分析，使高压实验技术得到快速的发展，布林奇曼效应以及布林奇曼石均以布林奇曼的名字命名用以突出他对高压研究领域的杰出贡献。高压下物质电子性质变化以及合成是人们关注的焦点，多位科学家致力于此工作，比如HarryDrickamer,TracyHall和毛河光等[5-6]。常压是一个大气压左右，但自然界中的压力范围是非常大的，我们所需求和可控制的压力占大概百分之十，还有大部分的压力范围没有涉及，如图3表示的是人们在实践中所探索的和自然界与宇宙中的压力范围。在这样我们能应用的相对很小的压力范围内，已经发现了很多不同与常压下的性质和现象。高压技术大
第一章绪论3体分为两类，一类是动态高压，作用时间极短，比如原子弹爆炸。另一类是静态高压，如图3所示的太阳，白矮星内部的高压状态，这种状态可持久性长，并保持稳定静止。像这种对行星内部的研究是不能通过直接观察得到的，这就要借助高压这种特殊的条件来间接进行。由于它有这种能够在不改变物质化学组分的情况下对原子间距进行影响的特性。。图1.3自然界和宇宙中的压力范围因为高压的作用，物质的原子或分子之间距离缩短，原子结构可能会发生重新排列，增大压力原子的配位数可能也会增大，对称性变化并伴随着自由能发生改变，这些变化现象统称为相变。材料结构上发生相变的生活现象也是很常见的，比如水遇热蒸发遇冷结冰，这种现象不仅能在温度的改变下发生，在压力的作用下也能实现。高压不仅能使晶体结构发生相变，也会对电子性质产生影响。在极端压力下，外层电子的相互作用会发生改变，从而将导致像材料的弹性系数和体弹模量等物理量的变化。实空间出现电子轨道的重叠和杂化，容易导致在固体中电子的退局域化，使材料的导电性能也发生改变。随着压力的升高，有些材料的帯隙会减小甚至消失，这种现象在单质氧、碘、硅等材料的探究中已有报道[7-8]。还有一些材料，在常温常压下表现为金属性，但在超高压的压缩效应下，内壳层电子云重叠，会转变为半导体或绝缘体，比如吉林大学超硬实验室马琰铭教授课题组在2009年从理论上预测了金属Na在高压下由金属转变成绝缘体或者半导体[9]。高压科学技术应用的学科非常广，先是基于在物理、化学的研究背景下一步步成熟，再逐渐应用于地球科学，天体科学、核技术、新材料工业等领域并取得了一些突破性的成果[10]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用第一性原理研究Ti2O3电子结构和光学性质[J]. 袁峰,张海峰,卢士香. 吉首大学学报(自然科学版). 2016(04)
[2]WO3中单斜相/六方相异相结的构建及提高光催化降解罗丹明B活性（英文）[J]. 卢圆圆,刘果,张静,冯兆池,李灿,李智. 催化学报. 2016(03)
[3]The Stable or Metastable Phases in Compressed Zn-O Systems[J]. 孙光林,黄红梅,李延龄. Chinese Physics Letters. 2016(02)
[4]Hydrothermal preparation of nanocrystalline ZnO2[J]. Guipeng Feng a, Liyun Yang a, , Tianxi Wang b, Jiamin Zhang b, Tianjun Lou b a Department of Chemistry and Chemical Engineering, Xinxiang University, Xinxiang 453000, China b School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China. Particuology. 2012(03)
[5]发展计算物理学为加速四化建设服务[J]. 秦元勋. 计算物理. 1984(01)
博士论文
[1]高压下几种硫族化合物结构与性质的第一性原理研究[D]. 王友春.吉林大学 2019
[2]二氧化钛的表面结构、化学吸附及其光催化特性的密度泛函理论研究[D]. 爨谦.华东理工大学 2014
[3]TiO2表面吸附分子的第一性原理研究[D]. 刘华忠.武汉大学 2013
[4]金属氧化物半导体多孔膜材料光电性能评价的研究[D]. 李华曜.华中科技大学 2013
本文编号：2978026
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