Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số tính chất điện tử của vật liệu rắn sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ

A ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số : 604401 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS TS Bạch Thành Công HÀ NỘI - 2011 Mục lục Mở đầu Chương 1: Vật liệu oxit TiO2 , pin mặt trời sử dụng TiO2 .3 1.1 Các tính chất lý- hố 1.1.1 Tính chất hố học 1.1.2 Tính chất vật lý 1.2 Các pha kết tinh TiO2 1.2.1 Rutile 1.2.2 Anatase 1.2.3 Brookite 1.3 Đặc tính ứng dụng TiO2 1.3.1 Đặc tính 1.3.2 Ứng dụng vật liệu TiO2 10 1.4 Pin mặt trời 11 1.4.1.Pin mặt trời tiếp xúc p-n 11 1.4.1.1 Giải thích .11 1.4.1.2 Sự phát sinh hạt tải tích điện 11 1.4.1.3 Sự phân tách hạt tải tích điện 13 1.4.1.4 Tiếp xúc p- n .13 1.4.1.5 Kết nối với tải 14 1.4.1.6 Mạch điện tương đương pin mặt trời 14 1.4.1.7 Phương trình đặc trưng .15 1.4.1.8 Thế hở mạch dòng ngắn mạch .16 1.4.1.9 Ảnh hưởng kích thước vật lý 16 1.4.1.10 Nhiệt độ pin 17 1.4.2 Pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu 19 1.4.3 Pin mặt trời chấm lượng tử 20 1.4.4 TiO2 pha tạp ứng dụng pin mặt trời 22 Chương 2: Tổng quan lý thuyết phiếm hàm mật độ 31 2.1 Vài nét sở học lượng tử 31 2.1.1 Phương trình Schrưdinger 31 2.1.2 Nguyên lý biến phân cho trạng thái 33 2.2 Phương pháp phiếm hàm mật độ 34 2.2.1 Mật độ điện tử .35 2.2.2 Mơ hình Thomas- Fermi 36 2.2.3 Lý thuyết Hohenberg- Kohn 37 2.2.4 Phương trình Kohn- Sham .41 2.3 Phiếm hàm tương quan trao đổi 44 2.3.1 Phiếm hàm gần mật độ địa phương (LDA - Local Density Approximation) 44 2.3.2 Gần mật độ spin địa phương (LSDA) 46 2.3.3 Gần gradient suy rộng (GGA) 48 Chương 3: Tính chất điện tử TiO2, TiO2 pha tạp nhôm ( Al), TiO2 pha tạp nhơm (Al) có nút khuyết oxy 53 3.1 Kết tính tốn tinh thể TiO2 pha anatase (cấu trúc × × ) 53 3.2.Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc ( × × ) doped Al (Ti15/16Al1/16O32) 57 3.3.Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × pha Al khuyết O1 vị trí (0.5; 0.75;0.458),(Ti15/16Al1/16O31/32) 63 3.4 Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × pha Al khuyết O2 vị trí (0.75; 0.5; 0.542) .68 3.5 Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × doped Al khuyết O3 vị trí (0.25; 0.75;0.708) .69 Kết luận 75 Tài liệu tham khảo 76 Viết tắt CB CD ns-TiO2 CE CNTs DC DFT DOS DSSC FTO GEA GGA GNPs HFS HOMO IPCE LDA LSDA LUMO OTE PBE PW91 QD revPBE Conduction band Carbon- doped nanostructure TiO2 Couter electrode Carbon nanotubes Direct current Density functional theory Density of state Dye-sensitized solar cell Fluorine doped tin oxide Gradient expansion approximation Generalized gradient approximation Gold nanoparticles Hartree- Fock- Slater Highest occupied molecular orbit Incident photon to current conversion efficiency Local density approximation Local spin density approximation Lowest unoccupied molecular orbit Optical transparent electrode Perdew- Burke- Ernzerhof exchange- correlation functional Perdew- Wang exchange correlation functional Quantum dot The revision of the PBE functional by Zhang and Yang RPBE Norskov UV VB The revision of the revPBE functional by Hammer, Hansen, Ultraviolet visible Valence band Mở đầu Ngày nay, nguồn lượng trái đất ngày trở nên khan Dù sớm hay muộn trữ lượng nguồn nhiên liệu như: than, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt Trong đó, nhu cầu lượng cho lồi người lại ngày tăng Thêm vào đó, việc sử dụng nhiên liệu hố thạch làm trái đất nóng lên hiệu ứng nhà kính nhiệt lượng nhà máy điện thải (ô nhiễm nhiệt ) Ngay phát triển điện hạt nhân giải vấn đề khí nhà kính khơng tránh gây nhiễm nhiệt Vì người cần tìm kiếm nguồn lượng nhằm đáp ứng nhu cầu cho tương lai Trong đó, trái đất ln nhận nguồn lượng từ mặt trời (khoảng 1024J/ năm, nhiều khoảng 10.000 lần nhu cầu lượng người Theo ước tính nhà khoa học cần sử dụng 0,1% diện tích bề mặt trái đất với pin mặt trời hiệu suất chuyển đổi 10% đáp ứng đủ nhu cầu lượng loài người) Đây nguồn lượng siêu gần vô tận, không gây ô nhiễm làm cân sinh thái nên coi giải pháp cho phát triển bền vững lâu dài người Việt Nam nước nhiệt đới, mặt trời chiếu sáng gần quanh năm, việc tận dụng nguồn lượng siêu vô cần thiết Để chuyển đổi lượng mặt trời thành điện sử dụng cho mục đích khác người ta dùng nhiều loại linh kiện có pin mặt trời Pin mặt trời loại có sử dụng vật liệu rắn Oxit titan TiO2 dạng nano hướng nghiên cứu ứng dụng đầy triển vọng Hiện nay, pin mặt trời sở nano TiO2 có sử dụng chất nhạy màu (Dyesensitized solar cells- DSSC) nghiên cứu sôi giới [26] TiO2 dùng pin mặt trời pha tạp nguyên tố khác với mục đích làm thay đổi cấu trúc vùng lượng điện tử, thay đổi độ rộng khe lượng với tính chất quang vật liệu Nghiên cứu pin mặt trởi sở nano TiO2 sử dụng chất nhạy màu phương pháp mơ hình hố vấn đề khơng dễ dàng khuôn khổ luận văn cao học tập trung nghiên cứu vai trò pha tạp thay vào vật liệu rắn Oxit titan TiO2 để hiểu giải thích vai trị cơng nghệ chế tạo pin mặt trời Nội dung luận văn gồm chương Chương 1: Vật liệu oxit titan TiO2, Pin mặt trời sử dụng TiO2 Chương 2: Tổng quan lý thuyết phiếm hàm mật độ Chương 3: Tính chất điện tử TiO2, TiO2 pha tạp nhơm (Al), TiO2 pha tạp nhơm (Al) có nút khuyết oxy CHƯƠNG VẬT LIỆU OXIT TITAN TiO2, PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG TiO2 TiO2 chất bán dẫn có vùng cấm rộng, suốt, chiết suất cao, từ lâu ứng dụng nhiều ngành công nghiệp.Thông thường, TiO2 chất bột màu trắng, có kích cỡ micromet bền, khơng độc rẻ tiền Ở kích cỡ này, dùng để tạo màu trắng cơng nghiệp sơn hố mỹ phẩm từ 100 năm Nhưng gần đây, nhà khoa học phát thấy đưa TiO2 xuống kích thước nanomet thể tính chất vật lý hố học khác hẳn Nhận thấy đặc tính ưu việt vật liệu này, TiO2 thu hút nhiều ý nhà khoa học, vật liệu TiO2 phase có tiềm ứng dụng lớn công nghệ bao gồm: ứng dụng hoạt động quang xúc tác, ứng dụng q trình chuyển hố lượng mặt trời thành điện ứng dụng thiết bị bán dẫn điện tử spin 1.1 Các tính chất lý - hố 1.1.1 Tính chất hố học [1] TiO2 trơ mặt hố học, có tính chất lưỡng tính, khơng tác dụng với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) kiềm, tác dụng chậm với axit đun nóng lâu tác dụng với kiềm nóng chảy TiO2 bị H2SO4 đặc nóng, HCl, kiềm đặc nóng phân huỷ 1.1.2 Tính chất vật lý Ở điều kiện thường TiO2 chất rắn màu trắng, trở nên vàng đun nóng TiO2 cứng, khó nóng chảy bền nhiệt Nhiệt độ nóng chảy TiO2 vào cỡ 18700C TiO2 xuất tự nhiên khơng dạng ngun chất, tồn chủ yếu hợp kim với sắt, khoáng chất quặng đồng Bảng 1.1 tổng kết vài thơng số quan trọng tính chất quang vật liệu TiO2 kết tinh pha khác Bảng1.1 Tính chất quang TiO2 Pha Chiết suất Hệ số khúc xạ Anatase 2.49 2.488 Rutile 2.903 2.609 1.2 Các pha kết tinh TiO2 TiO2 kết tinh ba dạng sau: Rutile, Anatase, Brookite Cấu trúc tinh thể dạng tổng kết bảng 1.2 thể hình 1.1 Bảng 1.2 Số liệu tính chất cấu trúc TiO2 Pha Rutile Anatase Brookite Tứ giác Tứ giác Trực giao Hệ tinh thể Hằng số mạng, thể tích o a( A ) 4.5845 3.7842 o 5.447 b( A ) o c( A ) o V( A 3) 9.184 2.9533 9.5146 5.145 62.07 136.25 257.38 1.2.1 Rutile Rutile trạng thái tinh thể bền TiO2, rutile có cấu trúc tinh thể tứ giác với khe lượng điện tử 3.0 eV Vật liệu pha có độ xếp chặt cao so với hai pha có khối lượng riêng 4.2 g/cm3 Rutile có kiểu mạng Bravais tứ giác với hình bát diện xếp tiếp xúc đỉnh (hình 1.1a) (a) Rutile (b) Anatase (c) Brookite Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể pha TiO2 (màu trắng nguyên tử Ti, màu đỏ nguyên tử O) 1.2.2 Anatase Anatase pha tinh thể có hoạt tính quang xúc tác mạnh dạng tồn TiO2 Tinh thể pha có diện tích bề mặt lớn độ linh động điện tử cao so với pha rutile Đây đặc điểm quan trọng giải thích pha anatase hay sử dụng rutile hay brookite Anatase có cấu trúc tinh thể tứ giác, có độ rộng khe lượng phổ lượng điện tử 3.2 eV khối lượng riêng 3.9 g/cm3 Tuy Anatase có kiểu mạng Bravais tứ giác Rutile hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với trục tinh thể bị kéo dài hình 1.1b 1.2.3 Brookite Brookite pha có hoạt tính quang hố yếu Brookite có độ rộng khe lượng điện tử 3.4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm3 (hình 1.1c) Do vật liệu màng mỏng hạt nano TiO2 tồn dạng thù hình anatase rutile, nữa, khả quang xúc tác brookite khơng có nên hai pha anatase rutile sử dụng nhiều Đặc biệt hạt TiO2 có kích thước nhỏ (cỡ nanomet) có tính chất vật lý hố học khác hẳn so với dạng khối Nhìn chung, TiO2 xem vật liệu có tiềm quan trọng ứng dụng hoạt động quang xúc tác, pin mặt trời thiết bị bán dẫn điện tử spin 1.3 Đặc tính ứng dụng TiO2 Hình 3.7 Cấu trúc vùng lượng điện tử tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × pha Al (Ti15/16Al1/16O31/32 ) khuyết O1 vị trí (0.5; 0.75; 0.458) Sự giảm rõ rệt độ rộng vùng cấm thuận lợi cho trình dịch chuyển phổ hấp thụ ánh sáng mặt trời phù hợp với nhiều kết nghiên cứu pha tạp nhằm làm giảm độ rộng vùng cấm Độ rộng vùng cấm trường hợp bị giảm mạnh: giảm 0.4847eV so với trường hợp không pha tạp chất giảm 0.4625 eV so với trường hợp pha Al Mức Fermi trường hợp nằm Ef = -0.249151 Ha ~ -6.780 eV So với hai trường hợp ta thấy mức Fermi trường hợp dịch lên so với trường hợp không pha tạp lượng 0.166 eV so với trường hợp pha Al lượng 0.211 eV Kết tính tốn trường hợp pha Al khuyết Oxy làm thay đổi cấu trúc 64 vùng lượng làm tăng mức Fermi Sự chồng chập mức lượng dày đặc so với trường hợp không pha tạp, đồng thời, xuất mức lượng sát biên vùng dẫn phân chia khe vùng thành vùng Kết tính tốn thu cho thấy độ rộng khe vùng cấm giảm, đồng thời mức Fermi tăng Năng lượng tính tốn trường hợp pha tạp thay Ti Al có nút khuyết Oxy tương ứng bằng: Năng lượng tổng cộng Năng lượng liên kết -422607.0781eV -343.02779eV Hình 3.8 tương ứng mật độ tổng cộng mật độ trạng thái phân lớp s, p, d thu thay Ti-6c Al khuyết O1 Hình 3.8 Mật độ trạng thái điện tử tổng cộng riêng phần cho anatase cấu trúc × × pha Al (Ti15/16Al1/16O31/32 ) khuyết O1 vị trí (0.5; 0.75; 0.458) 65 Hình 3.9 Đóng góp vào DOS nguyên tử tinh thể anatase cấu trúc × × pha Al (Ti15/16Al1/16O31/32 ) khuyết O1 vị trí (0.5; 0.75; 0.458) Hình 3.9 đóng góp vào mật độ trạng thái điện tử nguyên tử tinh thể Dựa vào đồ thị ta thấy: vùng lượng từ -0.68 Ha~ -18.5037 eV tới -0.58 Ha= - 15.7826 eV chủ yếu đóng góp điện tử phân lớp s nguyên tử Oxy với phần nhỏ mật độ nguyên tử Ti xa nhôm nguyên tử Ti-6c tinh thể Trong vùng hóa trị trải dài từ -0.2 Ha~ 5.442276 eV tới mức Fermi đóng góp quỹ đạo p nguyên tử Oxy xen phủ với quỹ đạo p d nguyên tử Ti xa nhôm nguyên tử Ti-6c Trong vùng dẫn từ 0.05 Ha~ 1.3605 eV tới 0.08 Ha~ 2.1769 eV chủ yếu đóng góp điện tử quỹ đạo d nguyên tử Ti Trong vùng hóa trị mức lượng ~ -0.2Ha = -5.442276 eV ta thấy xuất đỉnh, vùng dẫn ~0.08 Ha= 2.1769 eV xuất thêm đỉnh Sự xuất đỉnh vùng hóa trị pha Al cịn xuất đỉnh vùng dẫn khuyết Oxy Sự xuất hai đỉnh làm thay đổi cấu trúc vùng lượng tinh thể TiO2 Khi chưa khuyết Oxy điện tử 66 Ti tham gia vào liên kết cộng hóa trị trở thành điện tử liên kết Khi khuyết Oxy, tinh thể Ti liên kết với oxy, nguyên tử Ti dư thừa điện tử, điện tử trở thành điện tử dẫn Điện tử dẫn đóng góp nguyên tử Ti-6c khối tinh thể cộng thêm phần nhỏ Oxy tinh thể Từ hình 3.9 ta thấy đóng góp vào mật độ trạng thái điện tử Al đóng góp nhỏ, gần khơng có Như vậy, mức lượng biên vùng hóa trị chủ yếu đóng góp điện tử Oxy pha Al mức lượng biên vùng dẫn đóng góp điện tử nguyên tử Ti-6c phần nhỏ nguyên tử Oxy khuyết Oxy (a) 67 (b) Hình 3.10 a Cấu trúc vùng lượng b Mật độ trạng thái điện tử tổng cộng riêng phần anatase cấu trúc × × pha Al khuyết O2 vị trí (0.75; 0.5; 0.542) 3.4 Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × pha Al khuyết O2 vị trí (0.75; 0.5; 0.542) Tương tự, trường hợp này, ta thay nguyên tử Ti nguyên tử Al, đồng thời Oxy vị trí O2 bị khuyết Hình 3.10 kết tính tốn cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái điện tử Cấu trúc vùng lượng tính tốn tương tự trường hợp trước Trên biên vùng dẫn biên vùng hóa trị xuất hai mức lượng tương ứng với hai mức lượng xuất hai đỉnh kết tính mật độ trạng thái Điều lý giải tương tự trường hợp Năng lượng tính toán trường hợp tương ứng bằng: 68 Năng lượng tổng cộng Năng lượng liên kết -422607.247392 eV -343.19706 eV Trong trường hợp này, độ rộng khe vùng cấm Eg= 0.064Ha~ 1.7415eV Mức lượng Fermi nằm Ef= -0.250168 Ha= -6.807eV Như vậy, độ rộng vùng cấm bị giảm đáng kể so với trường hợp không pha tạp chất lượng 0.8435eV đồng thời mức Fermi bị dịch lên 0.139eV So sánh với trường hợp pha tạp thay Al ta thấy: độ rộng khe vùng cấm trường hợp bị giảm 0.8163eV đồng thời lượng Fermi tăng 0.184eV Điều thuận lợi cho trình hấp thụ ánh sáng vùng phổ mặt trời đồng thời mức Fermi tăng làm tăng hở mạch Voc 3.5 Tinh thể TiO2 pha anatase cấu trúc × × doped Al khuyết O3 vị trí (0.25; 0.75; 0.708) Trong trường hợp ta thu kết tính tốn cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái hình 3.11 69 (a) (b) Hình 3.11 a Cấu trúc vùng lượng;b Mật độ trạng thái điện tử tổng cộng riêng phần cho TiO2 pha anatase cấu trúc × × pha tạp Al khuyết O3 vị trí (0.25; 0.75; 0.708) 70 Trong trường hợp này, độ rộng khe lượng thu Eg= 0.069 Ha~ 1.87758 eV Năng lượng Fermi nằm Ef= -0.249 Ha~ - 6.783 eV Tương tự trường hợp trên, ta thấy cấu trúc vùng lượng trường hợp xuất hai mức lượng: mức nằm biên vùng hóa trị mức nằm biên vùng dẫn Sự xuất mức lượng biên vùng dẫn phù hợp với kết mà nhóm nghiên cứu G Mattioli cộng thực khuyết Oxy [23] Ngoài ra, quan sát mật độ trạng thái tính tốn ta thấy xuất hai đỉnh đỉnh nằm ~-0.2 Ha đỉnh nằm ~ 0.7 Ha Kết giải thích tương tự trường hợp pha Al khuyết O1 Năng lượng tính tốn trường hợp bằng: Năng lượng tổng cộng Năng lượng liên kết -422607.0328 eV -342.98248 eV So sánh với trường hợp không pha tạp chất ta thấy độ rộng vùng cấm giảm 0.026 Ha= 0.707495 eV mức Fermi dịch lên lượng 0.163 eV So sánh với trường hợp pha Al ta thấy: độ rộng khe vùng cấm bị hẹp 0.68002 eV đồng thời lượng Fermi tăng 0.208 eV Độ rộng vùng cấm giảm làm tăng khả hấp thụ ánh sáng nhìn thấy đồng thời lượng Fermi tăng làm tăng hở mạch Voc Như ba trường hợp pha tạp nhôm có nút khuyết oxy vị trí khác (O1, O2, O3)ta thấy độ rộng vùng cấm bị giảm mức Fermi tăng Kết tính tốn thu độ rộng khe vùng cấm, dịch mức Fermi trường hợp không pha tạp, pha tạp thay nhôm, pha tạp thay nhôm kết hợp khuyết Oxy vị trí khác tổng hợp bảng 3.1 71 Bảng 3.1 Độ rộng vùng cấm lượng Fermi tính tốn trường hợp STT Các trường hợp Độ rộng Năng lượng vùng cấm Fermi (eV) (eV) TiO2 không pha tạp 2.585 -6.946 TiO2 pha tạp thay Al 2.558 -6.991 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O1 2.095 -6.780 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O2 1.742 -6.807 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O3 1.878 -6.783 Tính trung bình thay Nhơm có nút khuyết oxy ( trường hợp cuối) độ rộng vùng cấm trung bình 1.905 eV lượng Fermi -6.79 eV Hiệu ứng pha tạp Al khuyết oxy với tỷ lệ nghiên cứu làm hẹp độ rộng vùng cấm lượng 0.68 eV làm tăng mức Fermi lượng 0.156 eV so với TiO2 Năng lượng tổng cộng tính tốn cho trường hợp tổng hợp bảng 3.2 thể hình 3.12 Bảng 3.2 Năng lượng tổng cộng cho trường hợp STT Các trường hợp Năng lượng tổng cộng(eV) TiO2 không pha tạp -441546.648 TiO2 pha tạp thay Al -424659.146 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O1 -422607.078 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O2 -422607.033 TiO2 pha tạp thay Al khuyết O3 -422607.247 72 Hình 3.12: Năng lượng tổng cộng tính tốn trường hợp mơ tả bảng 3.2 Theo hình 3.12, lượng tổng cộng đạt cực tiểu ứng với trường hợp tinh thể TiO2 khơng pha tạp chất Kết tính tốn lý thuyết cho phép giải thích thực nghiệm mà Kyung Hyun Ko cộng thu [16] Trong [16] tác giả cho thấy pha nhơm (Al) làm tăng Voc (xem hình 3.13) Hình 3.13 Đồ thị điển hình đặc trưng dòng pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu theo [16]: a Được chiếu sáng, b Ở trạng thái tối 73 Từ kết tính tốn ta thấy rõ rằng: - pha tạp Nhôm (Al) vào TiO2 pha antase độ rộng vùng cấm bị hẹp lượng Fermi bị dịch xuống Kết phù hợp với nhiều nghiên cứu pha tạp làm giảm độ rộng khe vùng để nhằm mục đích ứng dụng pin mặt trời, nhiên, kết lại chưa phù hợp với kết thực nghiệm Kyung Hyun Ko cộng pha Al dẫn đến tăng Voc - pha Al vào TiO2 pha antase đồng thời có khuyết Oxy vị trí khác độ rộng khe vùng cấm trường hợp bị giảm Fermi tăng so với trường hợp không pha tạp pha tạp thay Al Từ ta kết luận pha Nhơm có vị trí khuyết Oxy tinh thể làm giảm độ rộng vùng cấm tăng mức Fermi nguyên nhân làm tăng hở mạch Voc thí nghiệm Kyung Hyun Ko cộng Ta cần ý pha tạp Al đồng thời khuyết Oxy vị trí khác nhau, lý thuyết thu độ rộng vùng cấm khác độ tăng lên lượng Fermi khác vị trí khuyết khơng tương đương Kết thực nghiệm coi trung bình hố kết lý thuyết cho trường hợp tính tốn 74 Kết luận Luận văn nghiên cứu vai trò tinh thể TiO2 pin mặt trời thu kết sau: Đã tổng quan vật liệu TiO2, vật liệu TiO2 sử dụng pin mặt trời hệ sử dụng chất nhạy màu giới thiệu phương pháp phiếm hàm mật độ Đã tính tốn cấu trúc vùng lượng, mật độ trạng thái điện tử phương pháp phiếm hàm mật độ cho tinh thể oxyt titan cho số trường hợp thu kết sau: 2a Đối với tinh thể TiO2 pha anatase: nguyên tử oxy có vai trị chủ đạo đóng góp vào Mật độ trạng thái điện tử (DOS) vùng hóa trị Trong ngun tử Ti cho đóng góp chủ yếu vào Mật độ trạng thái điện tử vùng dẫn 2b TiO2 pha tạp nhôm (Al) pha anatase (Ti15/16Al1/16O32): Độ rộng vùng cấm tinh thể TiO2 pha tạp thay Al cho Ti nhỏ khe vùng cấm tinh thể TiO2 không pha tạp lượng 0.001 Ha~ 0.02721 eV Mức Fermi trường hợp pha Al bị xê dịch mạnh xuống khoảng 0.045 Ha~ 1.2245 eV so với trường hợp không pha tạp 2c TiO2 pha tạp nhôm có khuyết Oxy ba vị trí khác pha anatase (Ti15/16Al1/16O31/32) xu hướng chung độ rộng vùng cấm giảm mức Fermi tăng lên so với trường hợp không pha tạp nhôm, pha tạp nhơm mà khơng có nút khuyết Oxy Cụ thể là: Hiệu ứng pha tạp Al khuyết oxy với tỷ lệ nghiên cứu làm hẹp độ rộng vùng cấm lượng trung bình 0.68 eV làm tăng mức Fermi lượng 0.156 eV so với trường hợp TiO2 Kết luận 2c cho phép giải thích kết tăng hở mạch Voc thí nghiệm Kyung Hyun Ko pin mặt trời TiO2 pha tạp Al có sử dụng chất nhạy mầu vai trò Nhôm nút khuyết oxy 75 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: [1] Huỳnh Chí Cường, “Hợp chất TiO2 ứng dụng”, Khoá luận tốt nghiệpTrường Đại học Khoa học Tự nhiên [2] http://cn Wikipedia Org/wiki/solar-cell [3] Nguyễn Tiến Cường, “Tính tốn số tính chất điện tử số vật liệu oxide”, Luận văn thạc sỹ khoa học- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007 Tiếng Anh: [4] B O’Regan, D.T Schwartz, S.M Zakeeruddin et al, Adv Mater Vol 12 (2000) 1263 [5] B O’Regan, D.T Schwartz, J Appl Phys 80 (1996) 4749 [6] Q B Meng, K Takahashi, X T Zhang et al, Langmuir 19 (2003) 3572 [7] M Grätzel, Chem Lett 34 (2005) [8] J M Kroon, N J Bakker, H J P Smit et al, Report ECN- RX- 04-057, 2004 [9] C.J Barbe, F Arendse, P Comte et al, J Am Ceram Soc 80 (1997) 3157 [10] Z Wang, C Huang, Y Huang et al, Chem Mater 13 (2001) 678 [11] R A Caruso, M Antonietti, M.Giersig et al, Chem Mater 13 (2001), p.1114 [12] Cahen, D.; Hodes, G.; Graetzel, M., Guillemoles, J F., Riess, I J Phys Chem 104 (2000) 2053- 2059 [13] Graet M., Nature 414 (2001) 338 [14] Graetzel M., “Nanocrystalline electronic junction” In Semiconductor Nanocluster- Physical, Chemical and Catalytic Aspects, Kamat, P V., Meisel, D., Eds.; Elservier Science: Amsterdam, 1997; pp353- 375 [15] Daobao Chu ‘Eficient carbon- doped nanostructured TiO2 (anatase) film for photoelectrochemical solar cells”, J Nanopart Res 10 (2008) 357- 363 [16] Kyung Hyun Ko, Young Cheol Lee, Young Jin Jung, Journal of Colloid and Interface Science 283 (2005) 482- 487 76 [17] B A Gregg, F Pichot, S Ferrere, C L Fields, J Phys Chem B 105 (2001) 1422 [18] Z S Wang, C H Huang, Y.Y Huang, Y J Hou, P H Xie, B W Zhang, H M Cheng, Chem Mater 13 (2001) 678 [19] Lung- Chien Chen, Chung- Chieh Wang, Bo- Shiang Tseng, Journal of Optoelectronics and Biomedical Materials, (2009) 249- 254 [20] A Fujishima and K Honda, Nature (London) 37(1972) [21] A J Nozik, Nature (London) 383 (1975) 257 [22] Tak ja zhipan zhang, “Enhancing the open- circuit voltage of dye- sensitized solar cells: coadsorbent and alternative redox couples”, ( 2008) 16 [23] G.Mattioli, F.Filippone, P.Alippi, and A Amore Bonapasta ‘Ab initio study of the electronic states induced by oxygen vacancies in rutile and anatase TiO2’, Physical review B 78 (2008) 241201 [24] Grätzel M, “ Photoelectrochemical cells”, Nature 414 ( 2001 )338- 344 [25] Grätzel M “Dye- sensitized solar cells, J Photochem Photobiol C (2003) 145- 153 [26] Grätzel M “Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dyesensitized solar cells”, J Photochem Photobiol A 164 (2004) 3- 14 [27] O’Regan B, Grätzel M “A low- cost, high- efficiency solar cell based on dyesensitized colloidal TiO2 films”, Nature 353 (1991) 737- 740 [28] Peter Lm, Wijayantha KGU, Reily DJ, Waggett JP “Band- edge tuning in self- assembled layers of Bi2S3 nanoparticales used to photosensitize nanocrystalline TiO2”, J Phys Chem B 107 (2003) 8378- 8381 [29] Nie X, Sohlberg K “Materials Research Society Proceedings on Materials and Techanology fpr Hydrogen Economy” 801 (2004) 205 [30] Khan SUM, Al- Shahry M, Ingler Jr WB “Efficient photochemical water splitting by a chemical modified n- TiO2”, Science 297 (2002) 2243- 2245 [31] Xu CK, Killmeyer R, Gray ML, Khan Sum “Photocatalytic effect of carbonmodified n- TiO2 nanoparticales under visible light illumination”, Appl Catal B 64 (2006) 312- 317 [32] Xu CK, Killmeyer R, Gray ML, Khan Sum “Enhanced carbon doping of nTiO2 thin films for photoelectrochemical water splitting”, Electrochem Commun (2006) 1650- 1654 77 [33] Kamisaka H, Adchi T, Yamashita K “Theoritical study of the structure and optical properties of carbon- doped rutile and anatase titanium oxides”, J Chem Phys 123 (2005) 084704 [34] Gole JL, Stout JD, Burda C, Lou Y, Chen X “Highly efficient formation of visible light tunable TiO2-xNx photocatalysts and their transformation at the nanoscale”, J Phys Chem B 108 (2004) 1230- 1240 [35] Hoffmann MR, Martin ST, Choi W, Bahnemann DW “Enviromental applications of semiconductor photocatalysis”, Chem Rev 95 (1995) 69- 94 [36] Fiushima A, Rao TN, Tryk DA “Titanium dioxide phototcatalysis”, J Photochem Photobiol C Photochem Rev (2000)1- 21 [37] Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y “Visible- light photocatalysis in nitrogen- doped titanium dioxide”, Science 293 (2001) 269271 [38] Irie H, Watanabe Y, Hashimato K “ Nitrogen- concentration dependence on photocatalytic activity of Ti2-xNx powders”, J Phys Chem B Volum (2003) 54835486 [39] Ihara T, Miyoshi M, Triyama Y, Marsumato O, Sugihara S “Visible- lightactive titanium oxide photocatalyst realized by an oxygen- deficient structure and by nitrogen doping”, Appl Catal B 42 (2003) 403- 409 [40] Zhao Z, Liu Q “Mechanism of higher photocatalytic activity of anatase TiO2 doped with nitrogen under visible- light irradiation from density functional theory calculation”, J Phys D Appl Phys 41 (2008) 1- 10 [41] Fujishima X, Zhang CR “Titanium dioxide photocatalysis: Present situation and future approaches”, Chimie (2006) 750- 760 78 ... NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số : 604401 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng... hàm mật độ 34 (2.14) Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory, DFT) phát minh để nghiên cứu hiệu ứng tương quan mà không sử dụng đến phương pháp hàm sóng Khác với phương pháp tính. .. phiếm hàm mật độ đại, đề xuất phương pháp LDA (trong phương pháp xấp xỉ này, tính chất điện tử xác định phiếm hàm mật độ electron cách sử dụng cách cục hệ thức xấp xỉ tương đối cho hệ điện tử đồng