Energetic and electronic properties of X- (Si, Ge, Sn, Pb) doped TiO2 from first-principles

文献情報

出版日 2009-07-09
DOI 10.1039/B903298C
インパクトファクター 3.676
著者

Run Long, Ying Dai, Guo Meng, Baibiao Huang


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要旨

First-principles density functional theory calculations were performed on the electronic properties of substitutional Si, Ge, Sn, and Pb-doped rutile and anatase TiO2, where Ti was replaced by dopants, to explore the effect of the dopants on the band edges and their possible efficacy for the visible light photocatalysis and solar energy conversion. Based on the optimized structures of X-doped TiO2, the defect formation energies and the density of states were calculated to analyze the energetic properties, band edges, and the band gap states. Our calculated results show that dopants substituing for Ti is energetically unfavorable in the order Si < Sn < Ge < Pb under both O-rich and Ti-rich growth conditions. The electronic structures show that there is a reduction of band gap about 0.1 ∼ 0.55 eV in X-doped rutile TiO2. Si- and Ge-doped anatase TiO2 also decrease by 0.20 and 0.15 eV, but broadening by 0.06 and 0.02 eV occurs in Sn- and Pb-doped systems. The calculated results explain the experimental observations. Furthermore, it can be predicted that Ge-doped TiO2 can be active for overall water splitting under visible light photons whereas Si-, Sn-, and Pb-doped TiO2 are only suitable for photo-oxidation.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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