晶型对二氧化钛能带结构和态密度的影响开题报告

1. 研究目的与意义

TiO₂由于其良好的化学稳定性，抗磨损性，低成本，无毒等特点而成为最具应用潜力的光催化剂。但是由于受禁带宽度的制约，二氧化钛对太阳光的利用率较低。经过长期研究发现，对TiO₂进行掺杂是一种有效可行的提高可见光利用率的方法。本文就借助计算机模拟技术，运用第一性原理的方法研究了晶型对TiO₂掺杂效果。本文首先介绍了在材料科学领域的计算机模拟技术，对其应用、发展进行了叙述。重点描述了本研究运用MS中的CASTEP程序进行分析计算，CASTEP采用基于密度泛函理论平面波赝势法，是目前最先进的量子力学计算程序。

2. 课题关键问题和重难点

本研究以二氧化钛为例，通过MS对二氧化钛分子结构进行建模，对其能带结构和态密度进行计算分析，以此来研究二氧化钛的导电性。在自然界中，二氧化钛普遍存在的三种形式：金红石型；锐钛矿型和板钛矿型。锐钛矿型和金红石型的晶体结构均由相互连接的二氧化钛八面体组成，差别是两者的畸变程度和连接方式不同，锐钛矿和金红石型都属于四方晶系，板钛矿属于斜方晶系。三种结构具有不同的导电性，本研究测出各自的性质之后会将其相互比较，得出三种结构的不同之处。基于模拟软件辅助的材料学科教学首先能够将晦涩难懂，需要反复记忆的基础知识进行更直观的具象理解和记忆，其次在激发学生学习积极性的同时，提高其对科学创新的认识和创新手段的拓展。Materials Studio和VASP软件在材料、化学、物理和医学研究中发挥着不可替代的作用，同样由于它们的广泛性和易用性将其引入到材料学科教学中更为可行。我们以界面操作更智能的Materials Studio模拟软件为主来介绍其在材料学科教学中的具象辅助性。

3. 国内外研究现状（文献综述）

[1]贾涛，张佳媛，罗柔，张晋梅，白雪.Materials Studio在材料模拟中的应用-以TiO2晶体为例[J].广东化工，2019（19）：34

二氧化钛，是一种无机化合物，化学式为TiO2，为白色固体或粉末状的两性氧化物，分子量79.866，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高，也被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。二氧化钛可由金红石用酸分解提取或由四氯化钛分解得到。二氧化钛在自然界中存在三种同素异形态：金红石型、锐钛型和板钛型，此外还有数种人工合成的晶型。

4. 研究方案

使用Materials Studio中的CASTEP程序对二氧化钛三种晶型进行模拟,并测量不同晶型中体系的能带结构和态密度。由剑桥大学凝聚态理论研究小组开发的CASTEP软件包可以进行总能量陨势计算解量子力学方程，这些计算可以给出系统的基态能量和电子密度，并进一步得到晶格常数，弹性常数，几何结构，结合能等相关物理量，可以非常出色的用于对化合物能带结构的计算。建立模型时，我们采用的是超晶胞结构，这样有利于控制掺杂元素含量，也有利于提高计算的效率。所需基础结构参数从相关文献中获得，以保证准确性和可比性。在建立掺杂TiO₂结构模型后，都使用广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation,GGA)进行结构优化，已往文献表明GGA方法在结构计算方面较局域密度近似(Local Density Approximation,LDA)有较高的精度。进行结构优化后，使用局域密度近似(Local Density Approximation,LDA)对能带结构、态密度和电子密度分布等进行能量计算，得到我们需要的结果。建立超晶胞模型，应用第一性原理方法比较分析了锐钛矿相TiO₂,金红石相TiO₂和板钛矿相TiO₂的电子结构，研究了其能带、态密度和电子密度分布。

5. 工作计划

1.学习并熟悉materials studio的相关操作

2.在知网及相关应用查阅资料

3.阅读外文文献