中科院半导体所"剪裁"二氧化钛能带结构

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        20世纪70年代开始,科研人员对半导体能带结构按照需要进行“人工剪裁”,制备出区别于本征半导体的崭新的人工材料,由此设计出具有新结构和新原理的光电子器件。最近,由中科院半导体研究所李京波研究小组与美国的合作者通过“剪裁”二氧化钛的能带结构,设计了一种增强二氧化钛的光催化效率的有效方法。该成果的研究论文3月17日成为《自然》杂志网站中的“亮点论文”,受到广泛关注。

  用钼碳共掺杂方法进行“人工剪裁”二氧化钛能带的优点包括:在二氧化钛掺杂氮或者过渡金属,能够减小二氧化钛的光学带隙,但是单独掺杂会使光激发的电荷局域化并阻碍电化学反应的继续进行。对于钼碳共掺的方法,理论上使用超原胞,同时有一个钛和一个氧原子被取代形成彼此钝化的钼碳对。科研人员尝试了很多原子对,只有钼碳能够在减小二氧化钛带隙的同时还保证了二氧化钛仍具有高的催化活性,由此发现,这种彼此钝化的原子对消除了单独掺杂时对载流子的局域效应,从而允许电荷转移参与水分解反应。

  科研人员用钼碳共掺杂方法进行设计,期望在这种彼此钝化的共掺杂体系中,载流子寿命会比单独掺杂时有所增长。这种设计原理也适用于很多半导体材料和催化剂材料,随着第一性原理理论的发展和计算机性能的提高,计算机辅助的材料设计可能实现,并已成为加速科学发现的一个非常重要的工具。

  二氧化钛是用来生产燃料电池中所需氢气的一种常用的光催化剂,是一种光活性材料。

  由于二氧化钛的带隙为3.2eV,只能吸收太阳光谱中的紫外部分,而这部分只占太阳光能量的5%左右,所以不能充分利用太阳能。半导体所科研人员提出的新掺杂方法,是利用第一性原理计算的理论分析,发现特殊的共掺杂施受主对,比如“钼碳共掺”形成的新的杂质带,能够充分吸收太阳的可见光部分,从而提高二氧化钛分解水的催化效率。(
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