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Analysis of electronic structures of 3d transition metal-doped TiO$$_{2}$$ based on band calculations

第一原理バンド計算による3d遷移金属ドープされたTiO$$_{2}$$の電子構造解析

梅林 励; 八巻 徹也; 伊藤 久義; 浅井 圭介*

Umebayashi, Tsutomu; Yamaki, Tetsuya; Ito, Hisayoshi; Asai, Keisuke*

F-LAPW法を用いた第一原理バンド計算によって、遷移金属(Cr,Mn,Fe,Co,Ni)をドープした二酸化チタン(TiO$$_{2}$$)の電子構造解析を行った。TiO$$_{2}$$にCr,Mn,Fe,Coをドープした時は、バンドギャップ内に占有準位が形成され、電子は不純物t$$_{2g}$$軌道に局在することを明らかにした。この不純物準位は、ドーパントの原子番号が大きくなるに従って低エネルギー側にシフトした。一方、Niを導入した場合は、Ni 3d$$_{2g}$$軌道は、O 2p,Ti 3d軌道とともに価電子帯を形成することがわかった。既報の吸収スペクトル、及び光電流スペクトルの実験結果とわれわれの計算結果とを比較することにより、可視光域における光応答には不純物t$$_{2g}$$準位が大きく関与していることを見出した。

The electronic structures of titanium dioxide (TiO$$_{2}$$) doped with 3d transition metals (V, Cr, Mn, Fe, Co and Ni) have been analyzed by ab-initio band calculations based on the density functional theory with the full-potential linearized-augmented-plane-wave methods. When TiO$$_{2}$$ is doped with V, Cr, Mn, Fe or Co, an occupied level occurs and the electrons localized around each dopant. As the atomic number of the dopant increases, the localized level shifts to lower energy. In contrast, the electrons from Ni dopant are somewhat delocalized, thus significantly contributing to the formation of the valence band with O p and Ti 3d electrons. Based on a comparison with the absorption and photoconductivity data previously reported, we show that the t$$_{2g}$$ state of the dopant plays a significant role in the photoresponse of TiO$$_{2}$$ under visible light irradiation.

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分野:Chemistry, Multidisciplinary

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