First Principles Study of Nitrogen Doping at the Anatase TiO2(101) Surface

锐钛矿 杂质 氧气 氧化剂 材料科学 兴奋剂 化学物理 间质缺损 带隙 氮气 密度泛函理论 空位缺陷 化学 结晶学 计算化学 催化作用 光催化 生物化学 光电子学 有机化学
作者
Emanuele Finazzi,Cristiana Di Valentin,Annabella Selloni,Gianfranco Pacchioni
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:111 (26): 9275-9282 被引量:139
标识
DOI:10.1021/jp071186s
摘要

The incorporation of nitrogen impurities in the anatase TiO2(101) surface is investigated by first principles density functional theory calculations. Several substitutional and interstitial configurations and different concentrations for the N impurities in the surface and subsurface layers are considered, as well as their interactions with oxygen vacancies in the TiO2 lattice. The stability of the various investigated systems is compared on the basis of their formation energy as a function of the oxygen chemical potential, which determines whether the system is in an oxidizing or reducing environment. Under oxygen-rich conditions, N bound to a surface O is preferred, whereas, under oxygen-poor conditions, substitutional N together with oxygen vacancies is favored, as previously found for bulk TiO2. The cost of formation of a surface oxygen vacancy is almost cancelled in the presence of N impurities in subsurface layers. The incorporation of nitrogen in the lattice modifies the electronic structure by introducing localized states in the band gap, consistent with the experimentally observed absorption of N-doped anatase samples in the visible region. Also, these N impurity states are excellent traps for the Ti3+ electrons deriving from surface oxygens vacancies. STM images for the various N-doped anatase (101) surface models have been computed to provide a reference to future experimental studies of this surface.

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