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TiO_2几何结构、电子结构和光学性能的第一性原理研究
作 者: 秦文勇
导 师: 刘天模
学 校: 重庆大学
专 业: 材料科学与工程
关键词: TiO2 电子结构 光学性能 第一性原理
分类号: TN304.21
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法可以模拟材料的结构以及计算材料的各种物理化学性质,使大家能够深入理解材料从宏观到微观多个尺度的各类现象与特征。而且第一性原理方法还能够预测新材料以及它的各种性能,为材料的设计、制备提供理论的指导和依据。二氧化钛(TiO2)是一种非常重要的宽禁带半导体材料,主要有锐钛矿(anatase,A-type)、金红石(rutlie,R-type)和板钛矿(brookite,B-type)是三种晶体结构。TiO2具有催化活性高、稳定性好、对人体无毒、成本低等特点,是一种非常理想的半导体光催化剂,因而被广泛用于再生能源以及环境保护等领域。虽然近年来科研工作者对TiO2做了掺杂等相关研究,但都没有对TiO2主要三种晶型的电学性能、光学性能做系统的研究。在本文中,我们系统地研究了TiO2三种晶型的几何结构、电子结构及光学性能。本论文共分为五章。第一章介绍了计算材料学及其国内外研究进展,第一性原理计算方法在材料科学中的应用近况;还介绍了TiO2材料的基本结构、性能及其应用。第二章介绍了第一性原理计算方法。第三章优化了TiO2的几何结构,揭示了其电子结构。第四章阐述了TiO2的光学性能。第五章对本文的研究内容做了总结并指出了在理论研究方面仍有待解决的问题。这些系统的理论研究工作揭示了电子结构和介电性能之间的内在联系,有助于人们更加清楚地了解TiO2的电子结构与光谱吸收的关系和作用规律,这些都为TiO2的进一步研究提供理论基础。
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全文目录
中文摘要 3-4 英文摘要 4-7 1 绪论 7-16 1.1 计算材料学介绍 7-9 1.2 计算材料学的国内外研究进展 9-10 1.3 第一性原理计算方法在材料科学中的应用近况 10-13 1.3.1 利用第一性原理研究材料相变和相稳定性 10 1.3.2 利用第一性原理研究材料缺陷 10-11 1.3.3 利用第一性原理研究材料力学和物理性能 11-13 1.4 Ti0_2的性能 13-14 1.4.1 物理化学性能 13 1.4.2 光催化性能 13-14 1.5 Ti0_2 的应用 14-15 1.5.1 吸波材料 14 1.5.2 光电转化材料 14-15 1.5.3 PTC 元件、气体传感器、湿度传感器 15 1.5.4 新型汽车车身漆 15 1.5.5 防晒剂 15 1.6 本论文研究的主要内容、目的及意义 15-16 2 第一性原理计算方法概述 16-29 2.1 第一性原理的简述 16-20 2.1.1 非相对论近似 16-17 2.1.2 绝热近似 17 2.1.3 单电子近似 17-20 2.2 密度泛函理论的简述 20-21 2.3 基于密度泛函的第一性原理的实现 21-27 2.3.1 布洛赫定理 21-22 2.3.2 自洽-迭代方法(SCF) 22 2.3.3 电子与核的相互作用——赝势方法 22-26 2.3.4 能量极小的优化方法 26-27 2.4 近似中的局限性 27-28 2.5 计算软件介绍 28 2.6 本章小结 28-29 3 Ti0_2 几何结构与电子特性的计算和讨论 29-40 3.1 理论模型 29-30 3.2 计算方法 30-31 3.2.1 晶体的结构优化 30-31 3.2.2 电子结构的计算 31 3.3 Ti0_2 晶格参数的优化 31-34 3.4 Ti0_2 的电子结构 34-39 3.5 本章小结 39-40 4 Ti0_2 光学性能的计算和讨论 40-47 4.1 计算方法 40-41 4.2 光学性能的计算结果及分析 41-46 4.3 本章小结 46-47 5 全文总结及展望 47-48 5.1 全文总结 47 5.2 展望 47-48 致谢 48-49 参考文献 49-54 附录 54 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录 54 B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录 54
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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体 > 氧化物半导体
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