空位、掺杂对m-BiVO4物理特性的影响

论文摘要

单斜相钒酸铋（m-BiV04）是一种用于产氢和光降解有机污染物的窄带隙半导体催化剂。然而理想m-BiV04的光生载流子的分离率较低,因此它的光催化活性差一些。有报道指出空位、掺杂等缺陷可以提高m-BiVO4的光催化活性。本文基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,采用Materials Studio（MS）计算模拟软件包中的 Cambridge Sequential Total Energy Package（CASTEP）模块对有缺陷的m-BiV04的结构稳定性、电子特性及光学特性进行了系统研究。首先,我们研究了 Bi、V、O空位对m-BiV04的结构、电子和光学特性的影响。结果表明BiV04的晶格参数随空位类型略有改变,但结构依然可以稳定地存在。为简单起见,将Bi、V及O空位但位于不同位置的BiVO4标记为V1Bi、V2Bi、V1V、V2V、V1O、V2O、V3O和V4O。此外,理想BiVO4为直接带隙半导体,Bi、V、O空位的BiVO4均为间接带隙半导体。以V1Bi、V1V、V1o BiVO4为例,光学性质表明V1Bi、V1V、V1o BiV04的静态介电常数ε1（0）、折射率n（O）和反射率（R0）均比理想BiV04的大。光学吸收谱α（ω）表明V1Bi、V1V、V1o BiV04的光学带隙减小,这将有效提高可见光区域内的光吸收,并且给实验带来一定的指导。接着,我们研究了单掺Nb、N原子和共掺Nb/N原子对m-BiVO4的弹性特性、德拜温度θD、能带结构、带边位置和光学特性的影响。几何优化结果表明理想BiVO4、Nb-BiVO4、N-BiVO4及Nb/N-BiVO4的晶格参数略有变化,但结构稳定性不受影响。弹性特性表明理想BiVO4的刚度最好,Nb-BiVO4的延展性最好且最容易形成,N-BiVO4最硬。泊松比V表明在理想BiVO4和有缺陷的BiVO4中主要存在的是离子键,且理想BiV04的德拜温度θD大于缺陷BiV04的θD。理想BiV04和Nb-BiVO4为间接带隙半导体,而N-BiVO4和Nb/N-BiVO4为直接带隙半导体。带边位置表明还原能力和氧化能力分别为Nb/N-BiVO4>N-BiVO4>Nb-BiV04>理想 BiV04 和 Nb-BiVO4>理想 BiV04>N-BiVO4>Nb/N-BiVO4。光学特性表明,和理想BiVO4对比,N-BiVO4和Nb/N-BiVO4的吸收光谱发生的红移有效地增强了可见光范围内光吸收。因此,我们的计算结果可能为BiV04光催化水裂解机制提供一些指导。最后,我们研究了掺杂Sc原子和引入氧空位（Vo）对m-BiV04的结构稳定性、电子结构、弹性特性及光学特性的影响。结果发现,当Sc原子取代V原子（sub Sc-V）时,BiVO4仍然是间接带隙半导体。而当Bi原子被Sc原子（sub Sc-Bi）替代以及V原子被Sc原子替代并结合一个O空位（sub Sc-V+Vo）时,BiVO4变成了直接带隙半导体。计算的带边位置表明还原能力和氧化能力分别为sub Sc-V+Vo>sub Sc-Bi>理想BiVO4>sub sc-v 和理想 BiVO4>sub Sc-V+Vo>sub Sc-Bi>sub Sc-V。弹性特性表明理想BiVO4的刚度最好,sub Sc-Bi BiVO4的延展性最好且最容易形成,sub Sc-V+Vo BiVO4是最硬的。光学性质表明sub Sc-Bi和sub Sc-V BiVO4都发生了红移,这有助于可见光范围内的光吸收。我们的结果可能为半导体催化剂BiVO4在实验方面提供一些指导。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张霞青

导师: 黄育红

关键词: 力学特性,电子特性,德拜温度,光学特性

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 陕西师范大学

分类号: O469

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000253

总页数: 73

文件大小: 5333K

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