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1、上机上机练习讲解练习讲解 光学性质计算光学性质计算 太阳能电池、液晶显示器、光催化剂、紫外半导体激光器、阳光板雨棚太阳能电池、液晶显示器、光催化剂、紫外半导体激光器、阳光板雨棚 2 光学材料光学材料 3 宏观光学性质宏观光学性质 1. 吸收系数吸收系数 2. 反射率反射率 3. 折射率折射率 光是一种电磁波，通过固体材料时，与固体中的电子、原子或离子能产生相光是一种电磁波，通过固体材料时，与固体中的电子、原子或离子能产生相 互作用，引起光的吸收、反射、或者透光现象。互作用，引起光的吸收、反射、或者透光现象。 对于光学性质的材料，当有电磁波穿过块体时，其介电函数可以用光的实对于光学性质的材料，当
2、有电磁波穿过块体时，其介电函数可以用光的实 部和虚部来表述：部和虚部来表述： 12 =+i （ ） （ ） 实部实部虚虚部部 介电函数反应了固体对光学的宏观响应。介电函数反应了固体对光学的宏观响应。 4 微观光学性质微观光学性质 5 通过通过VASP，我们可以获得介电函数，我们可以获得介电函数，MedeA-VASP模块可以在获得介电函模块可以在获得介电函 数的同时，得到光导、吸收系数、折射系数和反射率。数的同时，得到光导、吸收系数、折射系数和反射率。 微观光学性质微观光学性质 光催化剂光催化剂TiO2-anatase光学光学 性质计算性质计算 6 Anatase 光催化剂光催化剂 Photoc
3、atalyst TiO2 二氧化钛二氧化钛 大气大气 净化净化 防臭防臭 防污防污净水净水 抗菌抗菌 出去空气中的出去空气中的NOx，SOx 甲醛树脂等有害物质甲醛树脂等有害物质 分解乙醛、氮分解乙醛、氮 气、硫化氢等气、硫化氢等 有臭味之物有臭味之物 分解并除去易于附分解并除去易于附 着在表面的烟味、着在表面的烟味、 油污等有机物油污等有机物 分解并除去污分解并除去污 水中的有害性水中的有害性 有机化合物有机化合物 杀菌、防腐杀菌、防腐 Anatase 用途：用途： 消除汽车排放物中消除汽车排放物中25%到到 45%的氮氧化物的氮氧化物 不足：不足： 带隙较宽，只能吸收紫外带隙较宽，只能吸收
4、紫外 光，对可见光吸收较弱光，对可见光吸收较弱 改进：改进： 掺杂改性、混晶、光敏化掺杂改性、混晶、光敏化 等等 汽车尾气汽车尾气 二氧化钛光催化剂：二氧化钛光催化剂： 主要成分：主要成分： 氮氧化物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化硫、 可吸入颗粒物。可吸入颗粒物。 9 Anatase 10 Anatase 1. 结构优化 2. scf计算 3. 非自洽计算（光学性质） 光学性质计算流程：光学性质计算流程： ICHARG=10 ！非自洽计算，读取scf计算得到的CHG LOPTICS = .TRUE. ！计算光学性质 CSHIFT = 0.1 ！实部光响应的偏移量 PREC=Accurate ！计
5、算光学性质需提高精度 NBANDS=160 ！半导体计算光学性质应为本身bands的2-3倍 光学性质非自洽计算光学性质非自洽计算参数参数： Anatase 12 Anatase 1. 结构优化：结构优化：2. scf： KPOINTS： 13 Anatase 3. 光学性质光学性质 KPOINTS： INCAR 光学性质计算的流程与不掺杂N的Anatase完全相同。 输入文件： INCAR文件只改变一项SYSTEM=Anatase-N KPOINTS不变 POSCAR需要根据模型改变 POTCAR需要根据POSCAR中元素的顺序改变 Anatase-N 15 结果分析结果分析 Anatase
6、晶胞介电函数 N-anatase晶胞介电函数 Anatase 的的TiO2晶胞具有对称性，晶胞具有对称性，x与与y方向相同，和方向相同，和z方向则不同。因此仅有沿着方向则不同。因此仅有沿着 x方向和方向和z方向的介电函数。当掺杂方向的介电函数。当掺杂N原子之后，对称性消失，则计算出沿原子之后，对称性消失，则计算出沿x、y、z 三个方向的介电函数。三个方向的介电函数。 16 介电函数的虚部与光的吸收系数关系密切。介电函数的虚部与光的吸收系数关系密切。 在在N掺杂到掺杂到anatase之后，介电函数虚部曲线开始攀升的起点对应的光子能量值变之后，介电函数虚部曲线开始攀升的起点对应的光子能量值变 小，
7、说明掺杂小，说明掺杂N之后，电子更容易发生跃迁。之后，电子更容易发生跃迁。 结果分析结果分析介电函数虚部介电函数虚部 anataseN-anatase 2.2 eV1.6 eV 17 结果分析结果分析吸收系数吸收系数 根据公式根据公式 E=h 和和 c=，可由光子能量计算出两种材料的吸收光波长范围。可由光子能量计算出两种材料的吸收光波长范围。 Anatase：E2.2 eV，开始吸收光，其对应波长为，开始吸收光，其对应波长为565nm N-anatase：E1.6 eV，开始吸收光，其对应波长为，开始吸收光，其对应波长为776nm N掺杂掺杂anatase后，体系发生红移，提高了材料对可见光的
8、响应。后，体系发生红移，提高了材料对可见光的响应。 anataseN-anatase 2.2 eV1.6 eV 18 结果分析结果分析吸收系数吸收系数 可见光波长范围为可见光波长范围为400nm760nm，对应光子能量范围为，对应光子能量范围为1.63eV3.11eV，即上图，即上图 阴影部分。阴影部分。 结果表明结果表明anatase掺杂掺杂N之后在可见光范围吸收强度明显增强，光催化活性更高。之后在可见光范围吸收强度明显增强，光催化活性更高。 anataseN-anatase 19 N掺杂掺杂后，明显减小了后，明显减小了 TiO2-Anatase的带隙宽度，增加了材料的光响应特性的带隙宽度，
9、增加了材料的光响应特性 结果分析结果分析态密度态密度 Anatase TiO2：bandgap为为1.6 eVN掺杂的掺杂的TiO2：bandgap为为1.15 eV MedeA练习练习 为了减少计算时间，我们做如下调整： 1. 不做结构优化，直接从数据库中的结构出发，做scf+optical 非自洽计算 2. Cutoff降低至300 eV 3. Scf和optical和dos计算过程中的K点均选取5x5x2 4. 精度改为low MedeA练习练习 MedeA练习练习 MedeA练习练习 VASP练习练习 为了减少计算时间，我们采用Si体系来测 确保自己在确保自己在vasp2015文件夹内文件夹内 cp -r Si-dos Si-optical vi INCAR qsub vasp.pbs VASP练习练习 OUTCAR：虚部 VASP练习练习 OUTCAR：实部