عنوان پایان‌نامه
خواص الکترونی و نوری نانو ساختارهای دی اکسید تیتانیوم با محاسبات اصول اولی
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6381;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81826;کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6381;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81826
- تاریخ دفاع
- ۰۶ شهریور ۱۳۹۶
- دانشجو
- سیده سمانه عطائی
- استاد راهنما
- محمدرضا محمدی زاده
- چکیده
- در بین سه پلی مرف پایدار برای دی اکسیدتیتانیوم، آناتیس فعالیت فوتوکاتالیستی بیشتری نشان می دهد. مقدار گاف انرژی این نیمه هادی حدود eV 3 است که باعث می شود تنها بخشی از انرژی خورشید (تقریباً 5%) را جذب نماید. همچنین بزرگ بودن مقدار گاف انرژی TiO2 باعث می شود که بازدهی سلول های خورشیدی متشکل از TiO2 کاهش یافته و فعالیت فوتوکاتالیستی فازهای مختلف این ماده کاهش یابد. اما اخیراً به صورت تجربی مشاهده شده است که با ایجاد اختلال توسط آلایش با اتم هیدروژن در نانو ذرات TiO2، علاوه بر جذب نور در ناحیه مرئی و مادون قرمز، بازدهی فوتوکاتالیستی نیز افزایش می یابد. بنابراین علاقه مندیم اثرات ناشی از آلایش هیدروژن و نیز تهی جای اکسیژن را در خواص الکترونی و نوری و فوتوکاتالیستی TiO2، با استفاده از محاسبات اصول اولیه برای ساختارهای کپه ای و سطوح این ماده در فاز آناتیس مطالعه نماییم. محاسبات ساختار الکترونی نشان می دهد که غلظت های مختلف هیدروژن و نیز انواع گوناگون آن (بین جایگاهی یا جایگزین شده در مکان تهی جای اکسیژن) در حالت خنثی یا یونیزه شده منجر به رفتار الکترونی متفاوت می شود. به عنوان مثال غلظت زیادی از هیدروژن جایگزین شده منجر به جابجای لبه ی نوار رسانش به سمت انرژی های کمتر و کاهش گاف نواری (حدود eV 1) نسبت به کپه ی خالص می شود. طیف جذب محاسبه شده برای کپه ی دی اکسیدتیتانیوم هیدروژن دهی شده (با غلظت زیاد) نشان دهنده ی افزایش جذب در ناحیه ی مرئی و مادون قرمز است. همچنین حضور اکسایتون های غیرجایگزیده در ناحیه ی فرابنفش در این سیستم ها منجر به افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی آن می شود.
- Abstract
- Among the three stable polymorphs of Titanium Dioxide, anatase is the most active phase for photocatalysis. The band gap of this semiconductor is about 3 eV that leads to the absorption of part of the solar spectrum (nearly 5%). Also, the large band gap of TiO2 may cause reducing the efficiency of the solar cells containing TiO2 and photocatalytic activities of different phases of this material. But, recently, it has been observed experimentally that hydrogen doping in TiO2 nanoparticles, in addition to the photo absorption in visible and infrared regions, the photocatalytic efficiency enhances considerably. Therefore we are interested in studying the effects of oxygen vacancy and hydrogen doping in the electronic and optical properties of bulk and surfaces of anatase TiO2 , using first principles calculations. Electronic structure calculations show that different hydrogen concentrations and different types of it (as interstitial impurity or substituted at oxygen vacancy site) with neutral or ionized state cause different electronic behavior. In particular, a high concentration of neutral HO shifts the edge of the conduction band to lower energies with a band gap narrowing (about 1 eV) with respect to the perfect bulk. While for the lower concentrations, the midgap states are observed. The calculated absorption spectrum of hydrogen doped TiO2 (with high concentration) shows enhancement of absorption in visible and infrared regions. Also, the presence of delocalized excitons in UV region leads to increasing it’s photocatalytic activities.
