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钛氧化物结构及其拉曼光谱表征

张少杰 | -> | 4054| 24| 0.201309MB |钛氧化物,拉曼光谱,密度泛函理论

张少杰 张少杰 | 文档量 |浏览量37807

摘 要 采用密度泛函理论(DFT) , 对几种钛的氧化物晶体结构进行了几何构型优化, 得到了与X2ray 晶体
衍射实验结果相一致的结构参数。在优化几何构型基础上进行了分子振动模的分析和计算, 钛氧化物均采
用数字化基组和局域密度近似, 并选择vwn 对局域交换相关能量参数化, 使用自旋非限制函数。同时, 测定了钛的氧化物(T iO, Ti2O3 , Ti3O5 , 锐钛矿型TiO2 和金红石型TiO2) 几种晶体的拉曼光谱, 并分别解释了相关的拉曼活性振动模。结果表明: 计算的频率与实验结果比较一致, 理论计算频率可以指导实验谱图谱峰位置的归属分析。通过钛的一系列氧化物的常温拉曼光谱分析, 得知不同氧化物有不同特征峰, 有利于含钛氧化物材料类型的诊断, 为沟通结构和性能的相互关系奠定基础。
    钛的氧化物材料具有优良的物理和化学性能, 广泛应用于电子元器件、光电子技术、传感技术、催化、环境保护与冶金等领域[1] 。其中T iO 作为新型环保建材可防楼宇灰尘,也可用于装饰行业。T i3O5 是一种潜在的氧敏材料, 具有阻温特性好的优点。在冶金方面钛氧化物夹杂T i2O3 是最有利
于晶内铁素体形核, 从而提高钢材的强度和韧性。TiO2 在催化、电镀着色、化妆品、废水等领域均有应用前景。
    材料的性能和其微结构紧密相连, 了解钛氧化物结构的信息, 对研发相关材料十分重要。目前研究钛氧化物结构的实验方法主要有X 射线衍射、透射电镜和拉曼光谱等[ 2, 3] 。其中拉曼光谱能给出丰富的有关晶态状况以及元激发的结构和运动, 如晶格扭曲、原子漂移、晶体缺陷和相变等信息,已经成为研究材料微结构的便捷手段之一。对钛氧化物尤其是TiO2 的拉曼光谱已有研究。计算方法如量子化学从头计算、密度泛函和分子动力学[ 4, 5] 等已逐渐开始应用于研究钛氧化物的结构, 随着计算机水平的提高以及计算方法的改进, 计算结果越来越令人满意。曹红红[6] 等采用密度泛函理论下的全电势线性缀加平面波法, 对锐钛矿型TiO2 的晶格结构进行了计算, 显示其优化后的结构参数与实验测定的结果相符, 由晶格优化得到的X 射线谱与实验值完全符合。
    尽管对T iO2 从室温到高温的拉曼光谱已有一些研究[ 7-9] , 但是对于钛的其他氧化物的拉曼光谱研究很少。本文对钛的一系列氧化物包括TiO, T i2O3 , T i3O5 , 锐钛矿型T iO2 和金红石型TiO2 等的常温拉曼光谱采用密度泛函方法对相关分子振动频率进行了计算, 并用拉曼光谱仪进行了实
验测定, 同时根据钛氧化物计算的频率振动演示图分析解释了相应的拉曼振动模式。并对计算结果和试验结果进行了对比分析。
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