Sulfur-doping of rutile-titanium dioxide by ion implantation; Photocurrent spectroscopy and first-principles band calculation studies

イオン注入によるTiOへのSドープ; 電流分光と第一原理バンド計算による研究

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

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

イオンビームを利用した手法によって、これまで困難だと言われてきたTiOへのSドープに成功した。本論文では、イオン注入実験の詳細と、S注入TiOの結晶構造,光学特性、及び電子構造について報告している。特筆すべき成果としては、S注入TiOは可視光励起によってVBとCBにキャリアを生成することが明らかになった。この結果は、Sドープによってバンドギャップナロウイングが起きるという理論的な予測と一致している。

Sulfur (S)-doped titanium dioxide (TiO) was synthesized by ion implantation and subsequent thermal annealing. Compared to the pure TiO, a photocurrent was observed in the lower energy regions for the S-doped TiO. Based on the theoretical analyses by the first principles band calculations using the full potential linearized augmented plane wave methods within the generalized gradient approximation, the mixing of the S 3p states with the valence band (VB) was found to contribute to the increasing width of the VB. This leads to the bandgap narrowing in the S-doped TiO. Therefore, the photon-to-carrier conversion was induced during irradiation by visible light above 420 nm ( 2.9 eV).