调控TiO2的电子和光学性质：纳米结构化、掺杂与分子-氧化物相互作用

二氧化钛是研究最广泛的氧化物之一，这归因于其从催化、光催化到光伏的广泛应用。尽管兴趣浓厚，但其许多体性质尚未通过实验技术或从头算理论得到充分研究。此外，TiO2的一些最重要性质，如电子带隙、激子的局域化特征以及氧空位诱导态的局域化性质，仍存在争议。我们利用从密度泛函理论(DFT)到多体微扰理论(MBPT)衍生技术的最先进从头算方法，给出了金红石和锐钛矿相性质的统一描述。通过这样做，我们展示了如何利用先进的计算技术定量描述TiO2纳米结构的结构、电子和光学性质，这是应用研究中一个至关重要的领域。实际上，我们通过展示如何将纳米结构变化与掺杂相结合，解决了TiO2光催化的主要挑战之一，即带隙窄化。为此，我们使用DFT和MBPT计算中的不同近似，比较了0D团簇、1D纳米棒、2D层和3D块体的TiO2电子性质。虽然量子限域效应导致能隙展宽，但研究表明，用硼或氮进行替代掺杂会产生（亚）稳态结构，并引入掺杂剂和中间隙态，从而有效减小带隙。最后，我们报告了如何应用从头算方法来理解TiO2在染料敏化太阳能电池中作为电子受体的重要作用。由于所涉及系统的有机-氧化物杂化结构，这项任务变得更加困难。