TiO₂即能利用光催化分解水制氫,又能降解空氣、水中的有機(jī)污染物,為環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題提供了處理方法。但TiO₂的帶隙（3.2 eV）遠(yuǎn)大于理想光電極材料的帶隙2.0 eV使其不能應(yīng)用于可見(jiàn)光區(qū),因此對(duì)TiO₂帶隙的調(diào)控成為研究的熱點(diǎn)。主要手段是通過(guò)摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)能帶間隙變小,但摻雜的方法也會(huì)存在諸如引入不利于材料應(yīng)用性的問(wèn)題。而高壓這一極端條件,可以改變?cè)娱g距離和相互作用力,使材料的微觀結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)等發(fā)生變化。因此,有必要對(duì)高壓下鈦氧化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行研究。我們利用基于遺傳演化算法的USPEX軟件包對(duì)Ti-O化合物在0-20 GPa的高壓范圍進(jìn)行了廣泛的結(jié)構(gòu)搜索,并利用第一性原理計(jì)算方法研究了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)及其電子特性。我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的富氧鈦化物結(jié)構(gòu)有:（P-4m2）Ti₂O₃、（P-62m）TiO和（C2/m）Ti₄O₇。Ti₂O₃、TiO和Ti₄O

【文章來(lái)源】： 楊孟鑫 吉林大學(xué)

【文章頁(yè)數(shù)】：54 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

計(jì)算物理學(xué)、理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的關(guān)系

第一章緒論2圖1.2不同層次計(jì)算方法第一性原理是計(jì)算物理里常用的一種方法，是可以獲得所研究體系的基本性質(zhì)的量子計(jì)算。運(yùn)用這種計(jì)算得到的被研究體系的物理性質(zhì)可以更好地與真實(shí)的結(jié)論相符合，在預(yù)測(cè)材料性質(zhì)的能力方面以及在實(shí)驗(yàn)方面發(fā)揮著重要的作用[3-4]。能夠運(yùn)用第一性原理計(jì)算的軟件有很多種，目前在結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)上有基于遺傳算法的USPEX、AGA和CALYPSO等，借助泛函計(jì)算電子性質(zhì)的MaterialsStudio、Wien2K、VASP、Quantum-Espresso、FLEUR等。1.2高壓技術(shù)1bar=1×105Pa，1GPa比1bar大的多，它相當(dāng)于104個(gè)大氣壓。19世紀(jì)末，G塔曼在進(jìn)行物質(zhì)體積與壓力變化實(shí)驗(yàn)中，開始對(duì)高壓相變進(jìn)行研究。后又經(jīng)過(guò)科學(xué)家們不斷的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)不同壓力下的現(xiàn)象規(guī)律進(jìn)行分析，使高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到快速的發(fā)展，布林奇曼效應(yīng)以及布林奇曼石均以布林奇曼的名字命名用以突出他對(duì)高壓研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。高壓下物質(zhì)電子性質(zhì)變化以及合成是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，多位科學(xué)家致力于此工作，比如HarryDrickamer,TracyHall和毛河光等[5-6]。常壓是一個(gè)大氣壓左右，但自然界中的壓力范圍是非常大的，我們所需求和可控制的壓力占大概百分之十，還有大部分的壓力范圍沒(méi)有涉及，如圖3表示的是人們?cè)趯?shí)踐中所探索的和自然界與宇宙中的壓力范圍。在這樣我們能應(yīng)用的相對(duì)很小的壓力范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多不同與常壓下的性質(zhì)和現(xiàn)象。高壓技術(shù)大

第一章緒論3體分為兩類，一類是動(dòng)態(tài)高壓，作用時(shí)間極短，比如原子彈爆炸。另一類是靜態(tài)高壓，如圖3所示的太陽(yáng)，白矮星內(nèi)部的高壓狀態(tài)，這種狀態(tài)可持久性長(zhǎng)，并保持穩(wěn)定靜止。像這種對(duì)行星內(nèi)部的研究是不能通過(guò)直接觀察得到的，這就要借助高壓這種特殊的條件來(lái)間接進(jìn)行。由于它有這種能夠在不改變物質(zhì)化學(xué)組分的情況下對(duì)原子間距進(jìn)行影響的特性。。圖1.3自然界和宇宙中的壓力范圍因?yàn)楦邏旱淖饔�，物質(zhì)的原子或分子之間距離縮短，原子結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生重新排列，增大壓力原子的配位數(shù)可能也會(huì)增大，對(duì)稱性變化并伴隨著自由能發(fā)生改變，這些變化現(xiàn)象統(tǒng)稱為相變。材料結(jié)構(gòu)上發(fā)生相變的生活現(xiàn)象也是很常見(jiàn)的，比如水遇熱蒸發(fā)遇冷結(jié)冰，這種現(xiàn)象不僅能在溫度的改變下發(fā)生，在壓力的作用下也能實(shí)現(xiàn)。高壓不僅能使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，也會(huì)對(duì)電子性質(zhì)產(chǎn)生影響。在極端壓力下，外層電子的相互作用會(huì)發(fā)生改變，從而將導(dǎo)致像材料的彈性系數(shù)和體彈模量等物理量的變化。實(shí)空間出現(xiàn)電子軌道的重疊和雜化，容易導(dǎo)致在固體中電子的退局域化，使材料的導(dǎo)電性能也發(fā)生改變。隨著壓力的升高，有些材料的帯隙會(huì)減小甚至消失，這種現(xiàn)象在單質(zhì)氧、碘、硅等材料的探究中已有報(bào)道[7-8]。還有一些材料，在常溫常壓下表現(xiàn)為金屬性，但在超高壓的壓縮效應(yīng)下，內(nèi)殼層電子云重疊，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體或絕緣體，比如吉林大學(xué)超硬實(shí)驗(yàn)室馬琰銘教授課題組在2009年從理論上預(yù)測(cè)了金屬Na在高壓下由金屬轉(zhuǎn)變成絕緣體或者半導(dǎo)體[9]。高壓科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的學(xué)科非常廣，先是基于在物理、化學(xué)的研究背景下一步步成熟，再逐漸應(yīng)用于地球科學(xué)，天體科學(xué)、核技術(shù)、新材料工業(yè)等領(lǐng)域并取得了一些突破性的成果[10]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]高壓下幾種硫族化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的第一性原理研究[D]. 王友春.吉林大學(xué) 2019
[2]二氧化鈦的表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)吸附及其光催化特性的密度泛函理論研究[D]. 爨謙.華東理工大學(xué) 2014
[3]TiO2表面吸附分子的第一性原理研究[D]. 劉華忠.武漢大學(xué) 2013
[4]金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜材料光電性能評(píng)價(jià)的研究[D]. 李華曜.華中科技大學(xué) 2013



本文編號(hào)：2978026