摘 要

钛氧化物具有良好的物理化学性质，是重要的催化和光电子材料，在工业上占据钛资源消耗的很大比重。压力对于钛氧化物的晶体结构，电子结构有着很大的作用，改变了钛氧化物的热力学性质和化学性质。本工作利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算研究了TiO₂、Ti₂O₃和Ti₃O₅的晶胞参数、形成焓、电荷密度、电子态密度等性能参数随外加压力的而变化。结果表明，随着压力的增大，钛氧化物的力学性能出现了各向异性，并且钛原子和氧原子更加偏向于共价，带隙增加，导电性有一定程度的下降。

关键词：钛氧化物 形成焓 电子结构 压力

Effect of Applied Pressure on Stability and Electronic Structure of TiO₂-x

Abstract

Titanium oxide has good physicochemical properties, is an important catalytic and optoelectronic material, and occupies a large proportion of the titanium resource consumption in the industry.The pressure has a great effect on the crystal structure and electronic structure of titanium oxide, changing the thermodynamic properties and optical properties of titanium oxide. Using the first-principles calculation method based on the density functional theory, we calculated the parameters of unit cell parameters, formation enthalpy, charge density, density of electron states and other properties of the three titanium oxides.The results show that with the increase of pressure, the mechanical properties of titanium oxide appear anisotropy, and titanium atoms and oxygen atoms are more covalent, and the conductivity decreases to some extent.

Key words: TiO₂-x; Forming enthalpy; Electronic structure; Pressure

目录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1钛的氧化物及其应用 1

1.1.1 TiO₂简介 1

1.1.2 Ti₂O₃简介 2

1.1.3 Ti₃O₅简介 2

1.2外加压力对钛氧化物的结构性能的影响 2

1.2.1 对晶体结构的影响 3

1.2.2 对电子结构的影响 3

1.2.3对热力学性质的影响 3

1.2.4 对化学性质的影响 3

1.3研究内容与意义 4

第二章 计算方法 5

2.1第一性原理简介 5

2.1.1第一性原理三大近似 6

2.1.2密度泛函理论 7

2.1.3交换关联能近似LDA与GGA. 7

2.2计算软件 7

2.3 计算过程 7

2.3.1结构驰豫 8

2.3.2静态自洽 10

2.3.3态密度计算 10

第三章 计算结果与数据处理 12

3.1晶胞参数与形成焓 12

3.1.1晶胞参数 13

3.1.2 形成焓 16

3.2电荷密度 16

3.2.1 TiO₂ 17

3.2.2 Ti₂O₃ 19

3.2.3 Ti₃O₅ 21

3.3 态密度 23

3.3.1 TiO₂ 23

3.3.2 Ti₂O₃ 26

3.3.3 Ti₃O₅ 29

第四章 结论 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1钛的氧化物及其应用

钛和钛合金各种性能都很好,如强度高、耐腐蚀等等。正是因为拥有如此多优秀的性能，它也被誉为全能金属。 ^[1]

在自然界中，钛氧化物存在多种不同的形式，例如TiO、TiO₂、Ti₂O₃和Ti_nO_2n-1。从某种意义上讲，钛氧化物可看作是TiO₂和Ti₂O₃按某种比例的混合。

• • 1. TiO₂简介

TiO₂是钛的主要氧化物。除了众所周知的许多优点外，TiO₂较为明显的特性是不同的晶体结构类型由三种:金红石、锐钛矿和板钛矿。在常温常压下，这三种不同的晶体类型都能稳定存在。金红石和锐钛矿两种晶型结构的TiO₂拥有稳定的性能。金红石主要用在民用领域，锐钛矿主要用在催化剂和电池等领域。^[2]

金红石属于晶系中的四方型，板钛矿则属于晶系中的正交型。TiO₂在温度较低下主要是锐钛矿和板钛矿，而在温度较高下则是金红石型，正常来说，在四百摄氏度左右，板钛矿将会变化成锐钛矿。在差不多六百摄氏度的时候，锐钛矿型则变化成金红石，由于锐钛矿型是不太稳定的相，因此从金红石到锐钛矿的相变是不能逆转的，随着实验环境的变化，这种相变发生的温度也存在很大的不同。^[3]

相关图片展示：