文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
金红石二氧化钛磁性和光学性质的第一性原理研究
姓名:杨兰
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:姚凯伦
2011-01-12
华中科技大学硕士学位论文
摘要
本文利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波的方法,从理论上对 N 掺杂
金红石 TiO2,Co 掺杂金红石 TiO2,以及(N, Co)共掺杂金红石 TiO2 材料的磁性和光
学性质进行了第一性原理的研究,对得到的理论结果进行了深入的分析与讨论。
(1)对于非磁性元素 N 掺杂金红石 TiO2,计算选择了 2×1×1 的超原胞,共 12
个原子,实现的掺杂浓度为 %,材料的总磁矩为 μB 。磁性的主要来源是
由杂质原子 N 引起的,Np 电子在禁带中引入了一个杂质能级,Ns 电子在价带中形
成了一个深杂质能级。N 原子的掺入使材料的光学吸收能力在可见光范围内有较大
的增加。
(2)对于磁性元素 Co 掺杂金红石 TiO2,计算选择 2×2×1 的超原胞,共 24 个
原子,实现的掺杂浓度为 %,计算材料的总磁矩为 μB 。磁性的主要来源是
由杂质原子 Co 引起的,Co 的 d 电子的能带和总态密度费米面附近的能带非常相似。
由于杂质带的引入,禁带宽度减小,光学吸收区域红移,同时光学吸收能力在可见
光区域增强。
(3)对于(Co, N)共掺杂金红石 TiO2,计算选择 2×2×1 的超原胞,共 24 个原子,
实现的 N,Co 的掺杂浓度分别为 %和 %,材料的总磁矩为 μB 。计算
发现杂质原子 N 和 Co 之间存在 p-d 杂化作用,导致能带在费米面附近出现劈裂,
材料具有了类半金属的性质。掺杂之后的禁带宽度减小,但是由于杂质原子间复杂
的相互作用,光学吸收的能力在可见光区域反而比单纯 Co 掺杂要弱。

关键词:第一性原理密度泛函理论共掺杂态密度磁性质
光学吸收

I
华中科技大学硕士学位论文

Abstract
The ic and optical properties of N- and Co- doped rutile TiO2, together with (N,
Co) co-doped rutile TiO2 have been investigated by first-principle, which were based on
the full potential linearized augmented plane wave (FPLP) method within the density
functional theory (DFT).The results are analyzed and discussed profoundly:
(1) For the non-ic element N doped in TiO2, the 2×1×1 supercell containing
12 atoms is established, in which the doping concentration is %. The total ic
moment of the material is μB , which mainly originates from impurity atom N, since
on the one hand, the electron which resides in p orbital yields an impuritical level in
forbidden band, on the other hand, the electron which resides in s orbital brings into a
deep impuritical level in valence band. In addition, the ability of optical absorption of
TiO2 with doping N atom in the range of visible light is enhanced.
(2) For the ic element Co doped in TiO2, we establish a 2×2×1 supercell
containing 24 atoms, wherein the doping concentration is als