新型能源材料的第一性原理计算研究

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我们用第一性原理全势线性缀加平面波方法(FPLAPW)研究新型能源材料InMO4(M=Ta,Nb)及氧掺杂材料InMO4-x(M=Ta,Nb)的电子能带结构及性质。得到结论如下: 第一,对InMO4进行体积优化,保持体积不变进行原子内坐标优化。然后我们计算了InMO4的电子能带结构与光学特性。InMO4的电子能带结构计算结果表明:(1)这两种材料均为间接带隙材料,带隙分别为3.6eV和3.2eV。(2)随着过渡金属原子(Ta,Nb)的壳层电子态从5d减小为4d轨道,电子能带的带隙减小,这是由于电子的局域性加强。InMO4的光学常数计算结果显示:(1)这两种材料的静态介电常数均比较小,其值在4附近,均为低介电材料,有利于载流子的传输,从而有有利于水的分解。(2)与可见光范围内的吸收系数比较表明,InMO4几乎不响应可见光。 第二,对含有氧空缺的InMO4-x(M=Ta,Nb)(x=0.125)材料进行了体积和内坐标的优化。晶格优化得到的能量随体积的变化曲线表明:(1)含有氧空缺(x=0.125)的超晶胞体积有明显的减小(0.91%和0.92%),这是由于氧空位的存在导致八面体结构缺失,从而导致超晶胞体积减小。(2)InMO4.875的过渡金属原子内坐标优化结果显示:氧空缺周围的原子重新排布,尤其氧空缺周围的过渡金属原子,位置明显变化。 第三,对氧掺杂材料InMO3.875(M=Ta,Nb)第一性原理电子能带计算表明:(1)在氧空缺掺杂情况下,这两种掺杂材料的电子能带结构发生很大的变化,在原来半导体材料的宽带隙中出现了带隙态。(2)带隙态主要由过渡金属d电子和氧原子及少量的铟原子电荷杂化形成。(3)这两种掺杂材料的带隙态到价带顶的能量间隙分别为2.15eV和2.06eV,带隙态的出现导致吸收边红移,催化活性增强。我们的计算结果与实验报道InMO4带隙2.6eV和InMO4带隙2.5eV相吻合,证明这两种材料的光吸收性与氧掺杂有直接关系。
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