● 摘要
TiO2是一种有广泛用途的宽禁带氧化物半导体，具有良好的电学、光学和化学性质。对它的光学性质的研究表明，通过掺杂可以有效地改进其光学以及磁学特性，从而有效提高它的光催化和稀磁半导体的特性。PbTiO3是一种典型的ABO3型铁电体。PbTiO3薄膜和纳米晶体在微电子学和电光集成器件等领域有着十分重要的应用价值。这些器件主要是利用PbTiO3的光学特性，而对PbTiO3光学特性的研究主要集中在实验领域。本文利用基于密度泛函原理的WIEN2K程序对锐钛矿相TiO2的两种新型掺杂方式——O位掺杂和Ti空位，以及铁电体PbTiO3的光学性质进行了理论研究。首先，利用第一性原理的计算，对P的O位掺杂锐钛矿相的电子结构和光学性质进行了研究。计算结果表明在原本的TiO2能隙当中出现了三条杂质能带。这三条杂质能带主要由P、O和Ti杂化而成。它们可以有效地提高TiO2的可见光响应。掺杂后体系相比未掺杂体系的能量吸收曲线明显向低能级方向移动，在可见光的范围内出现了一个吸收峰。上述结果与实验吻合。其次，利用第一性原理的计算，对含有Ti空位的锐钛矿相TiO2进行了计算，计算结果表明一个Ti空位会在锐钛矿相TiO2引入4μB的磁矩。这个磁矩主要是Ti空位的O原子产生的。此外，我们的计算结果还表明：在Ti空位掺杂的锐钛矿相TiO2中，两个Ti空位之间的磁性相互作用是铁磁性的。最后，利用第一性原理对铁电晶体PbTiO3的立方顺电相的电子结构进行了计算。能带结构的计算结果表明立方顺电相晶体PbTiO3为直接带隙的半导体，带隙大小为1.7eV。态密度和电子密度的计算结果分析，我们得到价带和导带的电子组成情况，并且指出Ti原子和O原子存在较强的共价键合。在电子结构的计算基础上，我们计算得到了与实验符合较好的PbTiO3晶体的介电函数的实部和虚部，分析了虚部所对性的能带跃迁，并得到了其他的光学性质的参数（光学吸收系数、折射率、消光系数、能量损失曲线、反射率）。