锐钛矿 (101) 表面形成氧空位的扩散：一种激活-弛豫技术研究
材料科学
2023-02-28 v1
摘要
TiO2 是一种具有技术重要性的材料。特别是其锐钛矿多晶型在光催化中起主要作用，其也可容纳带电与中性空位。然而，文献中关于空位电荷及从表面到次表面和体相的相关扩散的理论工作很少。此处，我们旨在利用 72 和 216 原子表面 slab，采用半局域密度泛函与 Hubbard 模型，理解锐钛矿 (101) 表面的 +2 电荷与中性空位扩散。激活-弛豫技术 nouveau（ARTn）与 Quantum Espresso 耦合，用于研究负责氧空位扩散的激活机制。小 slab 模型过度稳定了 +2 带电的最表层空位，这归因于空位与邻近 Ti+4 离子间的强库仑排斥。较大的 slab 允许原子沿表面方向弛豫，降低了 +2 带电最表层空位的稳定性。在 216 原子 slab 上计算得到的 +2 带电空位的表面到次表面势垒与中性空位的扩散势垒分别为 0.82 eV 和 0.52 eV。此外，体相空位倾向于以相对较低的激活势垒 0.19 eV 和 0.27 eV 向次表面迁移，而逆过程对于 +2 带电与中性空位须克服 0.38 eV 和 0.40 eV 的势垒。这解释了实验观测到的次表面位点而非体相中空位的高浓度，且空位从体相到次表面以及从次表面到体相的动态扩散在锐钛矿 (101) 表面极可能发生。最后，我们基于计算结果对近期观测到的氧空位次表面到表面的扩散起源给出了合理解释。
引用
@article{arxiv.2302.13205,
title = {Diffusion of oxygen vacancies formed at the anatase (101) surface: An activation-relaxation technique study},
author = {Jeffrey Rohan De Lile and Normand Mousseau},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.13205},
year = {2023}
}
备注
31 page, 3 Figures, 4 Tables