0.782 0.945
经过能带分析可知：纯金红石的带隙为1.82eV，与纯金红石相比N位于Hollow位时，带隙减小到了0.894eV，分析其原因是出现了两条新的杂质带。
而N位于Hollow位且表面有氧空位和N取代晶格氧这两种情况下带隙都有所减小（分别减小到0.945eV和1.63eV），不过减小的幅度较N位于Hollow时要小。N取代晶格氧的情况下能带基本没有变化，但是N位于Hollow位且表面有氧空位的情况下出现了两条新的能带，相较N取代晶格氧的情况下带隙有了进一步的减小。
从表3-1中可以看出，N取代晶格氧且有氧空位存在时，带隙减小到0.77eV，减小幅
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度最大。从图3-3（d）中可以看出，带隙减小的原因是在带隙处出现了新的杂质带，使带隙进一步减小到0.782eV，最有利于价带电子激发。
3.3.3 态密度（Density of States）分析
为了进一步探究N取代晶格氧且有氧空位存在时带隙减小的原因，专门对N取代晶格氧且表面有氧空位这种情况进行了态密度的计算与分析。
100806040N replace TiO2 O and O lostP orbital of NN p orbitalCavityDOS(electron/ev)200100806040200-20-20-15-10-5Energy (eV)TiO20510
图3-4 N取代晶格氧且表面有氧空位与纯金红石的能态密度对比图
图3-4为N取代晶格氧且表面有氧空位的锐钛矿与纯金红石的态密度分析对比图，从图中我们可以看出，N取代晶格氧且表面有氧空位的金红石型二氧化钛在费米能级的左侧有一个峰，与N原子P轨道的峰重叠，可以推测此峰为N原子p轨道贡献的。在费米能级右侧也出现一个峰，可以推测此峰的形成是氧空穴造成的。由于这两个因素的共同作用，N取代晶格氧且表面有氧空位的金红石型TiO2的带隙仅有0.782eV。
3.4 本章小结
分别对N位于Hollow位、N取代晶格氧、N取代晶格氧且有氧空位的情况和N位于Hollow位且表面有氧空位这四种氮掺杂的金红石型二氧化钛进行计算研究。讨论了金红石型TiO2掺杂前后的电子结构， N掺杂造成的晶格缺陷, 以及其能带结构发生的变化,带隙宽度的减小。发现N取代晶格氧时带隙变化并不大，而N在hollow位时带隙变化较大，
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TiO2掺杂N的理论研究
而N取代晶格氧且表面有氧空位的锐钛矿金红石型TiO2的带隙变化最为明显。特别针对其就行了态密度分析。得到了与锐钛矿型TiO2相同的结论：带隙的减小是掺杂的N原子的P轨道电子与氧缺陷作用可以使带隙大大减小。最后得出了TiO2掺杂氮且有表面氧缺陷时，更有利于价带电子激发的结论。
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结论
本文采用第一性原理的密度泛函理论（DFT），通过CASTEP程序分别对锐钛矿和金红石两种晶型的纯TiO2、N位于Hollow位、N取代晶格氧、N取代晶格氧且有氧空位和N位于Hollow位且表面有氧空位这五种情况进行理论计算。分别探讨了锐钛矿和金红石型TiO2掺杂前后的电子结构，N掺杂造成的晶格缺陷,以及其能带结构发生的变化,带隙宽度的减小程度。
对于锐钛矿型二氧化钛，N取代晶格氧时带隙变化并不大，而N在hollow位时带隙变化较大，N取代晶格氧且表面有氧空位的锐钛矿型TiO2的带隙减小到0.77eV，减小最为显著。
对于金红石型二氧化钛，得出了与N掺杂锐钛矿型二氧化钛相同的结论，N取代晶格氧时带隙变化并不大，而N在hollow位时带隙变化较大，而N取代晶格氧且表面有氧空位的金红石型TiO2的带隙减小到了0.78eV，减小幅度最大。
分别对两种晶型进行态密度分析可知，带隙的减小是掺杂的N原子的p轨道电子与氧缺陷共同作用的结果。不论是锐钛矿型还是金红石型的TiO2，在N取代晶格氧且表面有氧空位时，带隙减小幅度最大，最有利于价带电子激发的结论
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TiO2掺杂N的理论研究
致谢
本论文工作实在陈文凯教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度，广博的知识、严谨的治学态度使我受益匪浅。在实验过程的严格要求，悉心指导，并在生活上给予我很大的关怀，在此我要向导师表示最诚挚的感谢与深深的敬意！
同时也要感谢实验室中的曾庆松师兄，孙宝珍师姐、姚姗姗师姐等为我提供的宝贵文献资料和在实验过程中的大力帮助。在此我也要表示深深的感谢！
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