پژوهش های نوین فیزیک

خواص ساختاری و الکترونی دی اکسید تیتانیوم آلاییده با اتم های نئوبیوم

نویسنده

سیده سمانه عطائی
چکیده
بر اساس مطالعات تجربی و آزمایشگاهی برای ساختارهای دی اکسید تیتانیوم آلاییده با اتم های نئوبیوم (Nb) افزایش جذب نور در انرژی های کم و به ویژه در ناحیه مرئی و نیز رسانندگی قابل توجهی در غلظت های کم از این نوع ناخالصی (حدود سه درصد) گزارش شده است. در این پژوهش خواص الکترونی و ساختاری دی اکسید تیتانیوم در حضور دو اتم ناخالصی نئوبیوم (با مقدار غلظت سه درصد) با استفاده از محاسبات اصول اولیه مبتنی بر حل معادلات کوهن شم در چارچوب نظریه تابعی چگالی محاسبه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که جایگزینی اتم های نئوبیوم در جایگاه اتم های تیتانیوم منجر به اعوجاج شبکه بلوری در اطراف ناخالصی و افزایش فاصله بین اتم ها و همچنین ایجاد حالات الکترونی جایگزیده در اتم های تیتانیوم مجاور به ناخالصی شده است. محاسبات مربوط به چگالی حالات ساختارهای آلاییده نشان دهنده ی حضور حالات الکترونی میانی در گاف نواری است که در انرژی های حدود یک الکترون ولت بالاتر از لبه ی نوار ظرفیت قرار گرفته است. حضور این حالات الکترونی میانی در گاف نواری ساختارهای آلاییده نشان دهنده ی افزایش میزان جذب دی اکسید تیتانیوم در نواحی با انرژی کمتر از مقدار انرژی گاف نواری (مثلا در نواحی مرئی) در طیف جذب نوری این ساختارهاست. درنهایت با توجه به اینکه اثرات الکترونی در توصیف بسیاری از خواص و ویژگی های اکسیدهای فلزی نقش مهمی بازی می کند می توان از نتایج پژوهش حاضر برای کاربرد این نوع از مواد در حوزه انرژی (مانند اثرات فوتوکاتالیستی) و ترابرد الکترونی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

دی اکسید تیتانیوم
ناخالصی
خواص الکترونی
نظریه تابعی چگالی

عنوان مقاله English

Structural and electronic properties of TiO2 doped with Nb atoms

نویسنده English

Seyedeh Samaneh Ataei
چکیده English

The experimental measurements show a considerable increase of photoabsorption in the visible region and the conductivity in TiO2 through 3% Niobium incorporation. In the present work, we theoretically study the electronic and structural properties of Niobium doped TiO2 (at a concentration of about 3% with 2 Nb atoms) using ab-initio calculations based on solving the Kohn-Sham equations in the framework of Density Functional Theory. Our results show that substitutional Nb create a distortion of the crystal lattice around the defect and leads to increasing the distance between atoms and introducing electronic states localized mainly on adjacent Ti atoms. The calculated results related to the electronic density of states of the doped systems show the presence of electronic midgap states located at about 1 eV above the valence band edge. These electronic midgap states may result in an enhanced photoabsorption in low energy regions (e.g. in the visible light region). As the electronic properties play an important role in describing the material features our results would be used in electronic transport and energy applications.

کلیدواژه‌ها English

TiO2
Impurity
Electronic properties
DFT
[1] A. Fujishima and K. Honda, "Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode", Nature 238, 37, 1972. [DOI:10.1038/238037a0] [PMID]
[1] A. Fujishima and K. Honda, "Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode", Nature 238, 37, 1972. [DOI:10.1038/238037a0] [PMID]
[2] L. Kavan, M. Gratzel, S. E. Gilbert, C. Klemenz and H. J. Scheel, "Electrochemical and photoelectrochemical investigation of single crystal of anatase", J. Am. Chem, Soc 118, 6716, 1996. [DOI:10.1021/ja954172l]
[2] L. Kavan, M. Gratzel, S. E. Gilbert, C. Klemenz and H. J. Scheel, "Electrochemical and photoelectrochemical investigation of single crystal of anatase", J. Am. Chem, Soc 118, 6716, 1996. [DOI:10.1021/ja954172l]
[3] M. Gratzel, "Photoelectrochemical Cells", Nature 414, 338, 2001. [DOI:10.1038/35104607] [PMID]
[3] M. Gratzel, "Photoelectrochemical Cells", Nature 414, 338, 2001. [DOI:10.1038/35104607] [PMID]
[4] U. Diebold, "The surface science of titanium dioxide", Surf. Sci. Rep. 48, 53, 2003. [DOI:10.1016/S0167-5729(02)00100-0]
[4] U. Diebold, "The surface science of titanium dioxide", Surf. Sci. Rep. 48, 53, 2003. [DOI:10.1016/S0167-5729(02)00100-0]
[5] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu and S. S. Mao, "Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals", Science 331, 746, 2011. [DOI:10.1126/science.1200448] [PMID]
[5] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu and S. S. Mao, "Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals", Science 331, 746, 2011. [DOI:10.1126/science.1200448] [PMID]
[6] Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, et al, "H-doped black titania with very high solar absorption and excellent photocatalysis enhanced by localized surface plasmon resonance", Adv. Funct. Mater 23, 5444, 2013. [DOI:10.1002/adfm.201300486]
[6] Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, et al, "H-doped black titania with very high solar absorption and excellent photocatalysis enhanced by localized surface plasmon resonance", Adv. Funct. Mater 23, 5444, 2013. [DOI:10.1002/adfm.201300486]
[7] S. S. Ataei, S. J. Hashemifar and M. Mohammadizadeh, "First principles insights into role of hydrogen atom in black titania", Computational Materials Science 139, 84, 2017. [DOI:10.1016/j.commatsci.2017.07.014]
[7] S. S. Ataei, S. J. Hashemifar and M. Mohammadizadeh, "First principles insights into role of hydrogen atom in black titania", Computational Materials Science 139, 84, 2017. [DOI:10.1016/j.commatsci.2017.07.014]
[8] T. Hitosugi, H. Kamisaka, K. Yamashita, H. Nogawa, Y. Furubayashi, S. Nakao, et al, "Electronic band structure of transparent conductor: Nb-doped anatase TiO2", Applied Physics Express 1, 111203, 2008. [DOI:10.1143/APEX.1.111203]
[8] T. Hitosugi, H. Kamisaka, K. Yamashita, H. Nogawa, Y. Furubayashi, S. Nakao, et al, "Electronic band structure of transparent conductor: Nb-doped anatase TiO2", Applied Physics Express 1, 111203, 2008. [DOI:10.1143/APEX.1.111203]
[9] P. M. Weiser, W. Zimmermann, J. Bonkerud, L. Vines and E. V. Monakhov, "Donors and polaronic absorption in rutile TiO2 single crystals", J. Appl. Phys. 128, 145701, 2020. [DOI:10.1063/5.0027434]
[9] P. M. Weiser, W. Zimmermann, J. Bonkerud, L. Vines and E. V. Monakhov, "Donors and polaronic absorption in rutile TiO2 single crystals", J. Appl. Phys. 128, 145701, 2020. [DOI:10.1063/5.0027434]
[10] G. Sahasrabudhe, J. Krizan, S. L. Bergman, R. J. Cava and J. Schwartz, "Million fold increase of the conductivity in TiO2 rutile through 3% Niobium incorporation", Chem. Mater 28, 3630, 2016. [DOI:10.1021/acs.chemmater.6b02031]
[10] G. Sahasrabudhe, J. Krizan, S. L. Bergman, R. J. Cava and J. Schwartz, "Million fold increase of the conductivity in TiO2 rutile through 3% Niobium incorporation", Chem. Mater 28, 3630, 2016. [DOI:10.1021/acs.chemmater.6b02031]
[11] B. Morgan, D. O. Scanlon and G. W. Watson, "Small polarons in Nb and Ta doped rutile and anatase TiO2 ", J. Mater. Chem. 19, 5175, 2009.

https://doi.org/10.1039/b908869e [DOI:10.1039/b905028k]
[11] B. Morgan, D. O. Scanlon and G. W. Watson, "Small polarons in Nb and Ta doped rutile and anatase TiO2 ", J. Mater. Chem. 19, 5175, 2009.

https://doi.org/10.1039/b908869e [DOI:10.1039/b905028k]
[12] K. C. L. Bauerfeind, J. Laun, M. Frisch, R. Kraehnert and T. Bredow, "Metal substitution in rutile TiO2 : segregation energy and conductivity", Journal of Electronic Materials 51, 609, 2022. [DOI:10.1007/s11664-021-09318-4]
[12] K. C. L. Bauerfeind, J. Laun, M. Frisch, R. Kraehnert and T. Bredow, "Metal substitution in rutile TiO2 : segregation energy and conductivity", Journal of Electronic Materials 51, 609, 2022. [DOI:10.1007/s11664-021-09318-4]
[13] H. Y. Lee and J. Robertson, "Doping and compensation in Nb-doped anatase and rutile TiO2", J. Appl. Phys. 113, 213706, 2013.

https://doi.org/10.1063/1.4799153
https://doi.org/10.1063/1.4798372
https://doi.org/10.1063/1.4803515
https://doi.org/10.1063/1.4800499
https://doi.org/10.1063/1.4804177
https://doi.org/10.1063/1.4790362
https://doi.org/10.1063/1.4808475
https://doi.org/10.1063/1.4798350
https://doi.org/10.1063/1.4793089
https://doi.org/10.1063/1.4794359
https://doi.org/10.1063/1.4795848
https://doi.org/10.1063/1.4795789
https://doi.org/10.1063/1.4801903
https://doi.org/10.1063/1.4794283 [DOI:10.1063/1.4795799]
[13] H. Y. Lee and J. Robertson, "Doping and compensation in Nb-doped anatase and rutile TiO2", J. Appl. Phys. 113, 213706, 2013.

https://doi.org/10.1063/1.4799153
https://doi.org/10.1063/1.4798372
https://doi.org/10.1063/1.4803515
https://doi.org/10.1063/1.4800499
https://doi.org/10.1063/1.4804177
https://doi.org/10.1063/1.4790362
https://doi.org/10.1063/1.4808475
https://doi.org/10.1063/1.4798350
https://doi.org/10.1063/1.4793089
https://doi.org/10.1063/1.4794359
https://doi.org/10.1063/1.4795848
https://doi.org/10.1063/1.4795789
https://doi.org/10.1063/1.4801903
https://doi.org/10.1063/1.4794283 [DOI:10.1063/1.4795799]
[14] K. Yang, Y. Dai, B. Huang and Y. P. Feng, "First principles GGA+U study of the different conducting properties in pentavalent ion doped doped anatase and rutile TiO2", J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 275101, 2014.

https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/44/445101
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/34/345003
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/8/085106
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/4/045108
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/315101 [DOI:10.1088/0022-3727/47/27/275101]
[14] K. Yang, Y. Dai, B. Huang and Y. P. Feng, "First principles GGA+U study of the different conducting properties in pentavalent ion doped doped anatase and rutile TiO2", J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 275101, 2014.

https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/44/445101
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/34/345003
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/8/085106
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/4/045108
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/315101 [DOI:10.1088/0022-3727/47/27/275101]
[15] P. Giannozi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, et al, "QUANTUM ESPRESSO, a modular and open source software project for quantum simulation of materials", J. Phys. Condens. Matter 21, 395502, 2009. [DOI:10.1088/0953-8984/21/39/395502] [PMID]
[15] P. Giannozi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, et al, "QUANTUM ESPRESSO, a modular and open source software project for quantum simulation of materials", J. Phys. Condens. Matter 21, 395502, 2009. [DOI:10.1088/0953-8984/21/39/395502] [PMID]
[16] S. X. Zhang, D. C. Kundaliya, W. Yu, S. Dhar, S. Y. Young, L. G. Salamanca-Riba, et al, J. Appl. Phys. 102, 013701, 2007.

https://doi.org/10.1063/1.2787166
https://doi.org/10.1063/1.2809343
https://doi.org/10.1063/1.2787150
https://doi.org/10.1063/1.2794704
https://doi.org/10.1063/1.2818046
https://doi.org/10.1063/1.2815663
https://doi.org/10.1063/1.2817255
https://doi.org/10.1063/1.2817641
https://doi.org/10.1063/1.2811862
https://doi.org/10.1063/1.2826742
https://doi.org/10.1063/1.2750407
https://doi.org/10.1063/1.2818365
https://doi.org/10.1063/1.2805647
https://doi.org/10.1063/1.2800172
https://doi.org/10.1063/1.2802529 [DOI:10.1063/1.2800174]
[16] S. X. Zhang, D. C. Kundaliya, W. Yu, S. Dhar, S. Y. Young, L. G. Salamanca-Riba, et al, J. Appl. Phys. 102, 013701, 2007.

https://doi.org/10.1063/1.2787166
https://doi.org/10.1063/1.2809343
https://doi.org/10.1063/1.2787150
https://doi.org/10.1063/1.2794704
https://doi.org/10.1063/1.2818046
https://doi.org/10.1063/1.2815663
https://doi.org/10.1063/1.2817255
https://doi.org/10.1063/1.2817641
https://doi.org/10.1063/1.2811862
https://doi.org/10.1063/1.2826742
https://doi.org/10.1063/1.2750407
https://doi.org/10.1063/1.2818365
https://doi.org/10.1063/1.2805647
https://doi.org/10.1063/1.2800172
https://doi.org/10.1063/1.2802529 [DOI:10.1063/1.2800174]
[17] D. T. Cromer and K. Herrington, J. Am. Chem. Soc. 77, 4708, 1955. [DOI:10.1021/ja01623a004]
[17] D. T. Cromer and K. Herrington, J. Am. Chem. Soc. 77, 4708, 1955. [DOI:10.1021/ja01623a004]

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما