Hộp mô phỏng TiO2 anatase gồm 16 ion Ti4+ và 32 ion O2-. Hộp mô phỏng TiO2 thay thế N gồm 16 ion Ti4+ và 31 ion O2- và 1 ion N3-. Kết quả hằng số mạng lưới và năng lượng dải trống của anatase trong bảng 3.1 cho thấy phương pháp DFT tuy cho kết quả hằng số mạng lưới chính xác, nhưng Eg lại sai số nhiều so với thực nghiệm; phương pháp DFTB cho các kết quả phù hợp với thực nghiệm hơn nên được sử dụng trong nghiên cứu này.
Bảng 3.1. Hằng số mạng lưới và năng lượng dải trống Eg của anatase
Thực nghiệm (DFT/PBE-WC)Lý thuyết Lý thuyết(DFTB) Hằng số
mạng lưới A 3.733 3.771 3.781
C 9.370 9.683 9.499
Eg (eV) 3.2 2.2 3.18
Kết quả tính mật độ trạng thái điện tử và cấu trúc dải năng lượng thu được từ phương pháp DFTB được trình bày trong hình 3.1:
Hình 3.1. Giản đồ mật độ trạng thái điện tử và cấu trúc dải năng lượng của anatase: a. Không biến tính N3-; b. Có biến tính N3-
Từ hình 3.1 cho thấy, khi có sự thay thế N3- vào vị trí O2- đã làm thay đổi cấu trúc dải năng lượng của TiO2 và thu hẹp dải trống năng lượng của TiO2, đồng thời xuất hiện thêm một mức năng lượng mới tương ứng trạng thái N2p nằm trên VB. Mức năng lượng này đóng vai trò cầu nối giữa VB và CB, nó làm thu hẹp dải trống năng lượng của TiO2 từ 3.18 eV xuống còn 1.93 eV, ứng với λ = 643 nm. Tuy nhiên, do mật độ trạng thái N 2p thấp, hàm lượng thay thế nhỏ nên xác suất electron nhảy qua cầu N 2p còn nhỏ. Vì vậy, nếu electron nhảy thẳng từ VB lên CB thì cần năng lượng 2.50 eV, ứng với λ = 496 nm. Như vậy, khi biến tính nitơ đã làm chuyển dải hấp thụ quang của TiO2 từ vùng UV sang vùng khả kiến.
