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UV-ray photoelectron and ab initio band calculation studies on electronic structures of Cr- or Nb-ion implanted titanium dioxide

二酸化チタンの電子構造に及ぼす遷移金属イオン注入の効果; 第一原理計算と紫外線光電子分光による研究

梅林 励; 八巻 徹也; 住田 泰史*; 山本 春也; 田中 茂; 浅井 圭介*

Umebayashi, Tsutomu; Yamaki, Tetsuya; Sumita, Taishi*; Yamamoto, Shunya; Tanaka, Shigeru; Asai, Keisuke*

CrとNbがドープされたTiO$$_{2}$$の電子構造を第一原理バンド計算と紫外線光電子分光(UPS)によって詳しく調べた。両ドープ体には、電子占有準位がバンドギャップ内に形成されることが明らかになった。これら不純物準位は、CrドープTiO$$_{2}$$ではバンドギャップのほぼ中央に、Nbドープの場合は伝導帯(CB)の底付近に位置する。過去に報告された遷移金属ドープTiO$$_{2}$$の可視域における光応答特性は、これらの不純物準位を介した電子遷移過程を考えれば系統的に説明できるものと考えられる。UPS測定では、不純物準位に起因するピークが両ドープ体ともに観測された。Crドープに由来する準位のピークは価電子帯(VB)端の近くに現れたのに対し、Nbの準位はより高エネルギー側、すなわちCBに近い側に位置した。この不純物種による違いは、上記の計算結果とほぼ一致した。われわれは、Cr,NbがTiO$$_{2}$$にドープされたときにバンドギャップ内に形成される準位の特性を理論,実験の両面から明らかにした。

Chromium (Cr) and niobium (Nb) were implanted into single-crystalline titanium dioxide (TiO$$_{2}$$; rutile). After annealing at 600$$^{circ}$$C for the Cr-implanted sample or at 1000$$^{circ}$$C for the Nb-implanted sample, the radiation damage was recovered. The implanted metals occupied titanium (Ti) sites in TiO$$_{2}$$ to form metal-oxygen bonds. According to the ultraviolet-ray photoelectron spectra, a localized level due to the implanted metals was formed in band gap of both the crystals. This position was close to the VB edge for the Cr-doped TiO$$_{2}$$, while the Nb-doped TiO$$_{2}$$ had the small peak far from the edge. This is in good agreement with the ab-initio band calculation results. It is considered that the midgap states of Cr- and Nb-doped TiO$$_{2}$$ consist of the Cr t$$_{2g }$$ or Ti t$$_{2g }$$ state, respectively.

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