Mending Cracks in Rutile TiO$_{2}$ with Electron Beam
本文利用STEM和EELS技术，发现高能高剂量电子束可高效重组金红石TiO$_{2}$，并提出“两步”滚动模型解释辐射分解驱动的原子迁移机制。
2023-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Polaron-induced phonon localization and stiffening in rutile TiO$_2$
过渡金属氧化物中小极化子的形成，如原型材料金红石型TiO $_2$，仍然是一个难题，对简单的理论处理是一个挑战。在我们的实验和理论研究相结合，我们研究这个问题，使用拉曼光谱的光激发样品和实时时间相关的密度泛函理论（RT-TDDFT），它采用Escherfest动力学耦合的电子和离子的子系统。我们在实验上观察到的$A_{1g}$声子模式在紫外光照射下的意外硬化，并提供了这种效果的理论解释。我们的分析还揭示了一个可能的原因，所观察到的异常的霍尔迁移率的温度依赖性。金红石型TiO $_2$中小极化子的形成是一个强非绝热过程，在极化子形成的时间尺度上可以用Eschlafest动力学来描述。
2017-09-01 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced Photoabsorption from Cobalt Implanted Rutile TiO2 (110) Surfaces
本文研究了单晶金红石型TiO_2（110）表面经低注量Co ~（2+）离子注入后的光吸收特性。注入后的表面，展示了纳米结构和各向异性纳米波纹图案的制造。还观察到这些样品的氧空位（Ti 3+状态）以及带隙修改的创建。这里提出的结果表明，自组织纳米结构的制造和氧空位的发展，钴注入后，促进在紫外（2倍）和可见光（5倍）制度的光吸收的增强。这些纳米结构的二氧化钛表面的研究可以是重要的光催化。
2015-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Ti interstitial flows giving rutile TiO$_2$ reoxidation process enhanced in (001) surface
我们重新回顾了从头计算评估的能量障碍沿金红石型TiO $_2$中的缺陷的可能的扩散路径。通过仔细考虑自相互作用的抵消，确定了Ti原子沿$c$轴的跳跃是主要的扩散方向。这一结论与以往的理论研究结果相矛盾，其原因是由于以往的理论研究中缺陷半径的估计过高，而缺陷半径的估计又是由于缺陷的抵消效果不好。这里更新的预测可以解释[001]表面比[110]表面更好的放射性。
2019-09-12 cond-mat.mtrl-sci
First principles study of the influence of (110)-oriented strain on the ferroelectric properties of rutile TiO$_2$
利用第一性原理密度泛函理论研究了金红石型TiO $_2$中极性声子模在（110）取向拉伸应变下的软化。我们表明，该系统变得不稳定，对铁电畸变与极化沿（110）的实验可访问的应变值。由此产生的极化，估计从玻恩有效电荷，甚至超过了体极化的钛酸钡$_3$。我们的计算表明沿（110）和（001）方向极化的极性模式的不同应变依赖性，我们讨论了应变工程的极化方向的可能性，以及由此产生的介电和压电响应，在合适的衬底上生长的TiO $_2$薄膜。
2011-06-14 cond-mat.mtrl-sci
First-principles investigation of incipient ferroelectric trends of rutile TiO$_2$ in bulk and at the (110) surface
用从头算密度泛函理论研究了金红石型TiO（$_2$）的体相和（110）面的铁电性。我们讨论的基本机制的初始铁电行为的金红石的Born有效电荷，我们分解在个人的贡献，通过最大本地化的Wannier函数。我们表明，铁电相可以稳定的各种不同的晶格畸变，所有扩大最短的Ti-O距离，即使较长的顶端Ti-O键同时缩短。在（110）表面处，与体相相比，铁电趋势被修改，但是即使在最顶部的表面层中具有大极化的铁电相也可以通过单轴应变来稳定。
2012-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Large crystal local-field effects in the dynamical structure factor of rutile TiO2
我们提出了第一性原理的含时密度泛函计算和非共振非弹性X射线散射测量的动力学结构因子的金红石型TiO 2。我们的计算结果与实验符合得很好，并证明了大的晶体局域场效应的存在下的Ti M-边缘，产生一个尖锐的损耗峰在14 eV的强度具有显着的非单调依赖于波矢。这些效应对氧化物中的激发光谱的影响比过渡金属更显著，提供了底层电子结构的特征。
2004-09-30 cond-mat.mtrl-sci
How the aggregation of oxygen vacancies in rutile based TiO$_{2-δ}$ phases causes memristive behavior
全面系统的从头算基态搜索的结果的氧空位的结构安排在金红石相TiO $_2$提供了新的见解，其忆阻性能。我们发现，O空位倾向于形成平面排列，松弛成具有金属行为的结构。这些亚稳态排列在结构上类似于Magnéli相，但与Magnéli相区分开来。它们表现出更明显的金属性质，但在能量上不太有利。我们的研究结果证实了一个明确的结构和性能之间的关系，在还原氧化物中的偏析氧空位排列和金属行为。
2015-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Using DFTB to Model Photocatalytic Anatase-Rutile TiO$_2$ Nanocrystalline Interfaces and their Band Alignment
TiO $_2$粉末中金红石和金红石纳米晶的能带排列效应导致电子空穴分离，提高了这些粉末的光催化效率。虽然尺寸效应和可能的对齐类型已被广泛研究，但对键合的双金属结构的界面几何形状对对齐的影响知之甚少。为了让各种各样的键合系统在不同的取向的结论性研究，我们已经开发了一个新的密度泛函紧束缚参数集，以正确地描述量子限制在纳米晶体。应用这一套，我们发现了定量的影响的界面结构上的能带排列。
2021-04-15 cond-mat.mtrl-sci
Investigating the high-temperature thermoelectric properties of n-type rutile TiO$_2$
过渡金属氧化物由于其稳定性、丰富性和低毒性而被认为是用于收集高温废热的有前途的热电材料。尽管它们具有典型的强离子特性，但它们可以表现出令人惊讶的高功率因数$σS^2$，例如在n型SrTiO $_3$中。因此，值得研究可能超过SrTiO $_3$性能的其它过渡金属氧化物。本文研究了n型金红石型TiO $_2$的热电性能，它是氧化钛中最稳定的相，温度可达2000 K。通过从头计算得到的电子结构，而强大的电子-声子相互作用和缺陷状态的突出特点是使用少量的参数建模。的理论结果进行了比较，从文献中的实验数据丰富，在很宽的载流子浓度范围内产生非常好的协议。这验证了金红石型TiO $_2$的带导假设，并允许高温热电性能的预测。
2019-11-23 cond-mat.mtrl-sci
Consequences of anisotropy in electrical charge storage: application to the characterization by the mirror method of TiO2 rutile
本文首先讨论各向同性材料中存储电荷的各向异性分布，其次讨论各向异性材料中的电荷俘获和感应静电势。一方面，我们研究的情况下，在线性均匀各向同性（LHI）绝缘体，在扫描电子显微镜中的电子辐照后得到的各向异性的陷阱电荷分布。这种注入导致形成镜像。
2008-05-26 cond-mat.mtrl-sci
Comparing quasiparticle H$_2$O level alignment on anatase and rutile TiO$_2$
分子前沿能级在基态的排列可以用来预测界面的光催化活性。吸附物的最高占据分子轨道（HOMO）水平相对于基板的价带最大值（VBM）在界面中的位置描述了光生空穴从VBM转移到吸附分子的可吸收性。这是评估和比较两种原型光催化TiO $_2$表面上的H $_2$ O光氧化活性的关键量：金红石（A）-TiO $_2$（101）和金红石（R）-TiO $_2$（110）。使用来自最新准粒子（QP）$G_0W_0$计算的投影态密度（DOS），我们评估了完整的和解离的H $_2$ O对配位不饱和的理想化学计量的A-TiO $_2$（101）/R-TiO $_2$（110）的（Ti $_{\textit{cus}}$）位和桥接O空位（O $_{\textit{br}}^{\textit{vac}}$）的缺陷的A-TiO $_{2-x}$（101）/R-TiO $_{2-x}$（110）表面（$x=\frac{1}{4},\frac{1}{8}$）。这样的多体处理是必要的，以正确地描述在光催化界面的电子-电子相互作用的各向异性屏蔽，从而获得准确的界面水平对齐。A-TiO $_2$（101）的更有利的基态HOMO能级排列可以解释为什么双晶型比金红石型显示出更高的光催化活性。结果表明：（1）A-TiO $_2$（101）比R-TiO $_2$（110）更有利于空穴俘获;（2）HO@Ti $_{\textit…
2015-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Interplay between adsorbates and polarons: CO on rutile TiO$_2$(110)
极化子的形成在决定离子晶体的结构、电学和化学性质方面起着重要作用。采用第一性原理计算和扫描隧道显微镜/原子力显微镜（STM/AFM）相结合的方法，研究了CO分子吸附在金红石型TiO $_2$（110）表面时极化子与CO分子的相互作用.吸附的CO在表面层与极化子发生吸引耦合，在次表面层与极化子发生排斥耦合。因此，CO吸附取决于样品的还原状态。对于稍微减少的表面，许多吸附配置具有可比的吸附能量存在和极化子驻留在次表层。在强还原表面，两种吸附配置占主导地位：无论是内部的氧空位，或在表面Ti $_{5c}$网站，加上表面极化子。
2018-07-16 cond-mat.mtrl-sci
First-principles DFT+GW study of oxygen vacancies in rutile TiO2
我们进行第一性原理计算的准粒子缺陷态，电荷跃迁能级，和形成能量的金红石型钛白中的氧空位。计算是在最近开发的DFT+GW的形式主义，包括必要的静电修正的超细胞带电缺陷。我们发现氧空位是一个负的U缺陷，其中U是缺陷电子的附加能。费米能级低于2.8 eV（相对于价带最大值）时，空位的+2电荷态最稳定，高于2.8 eV时，空位的中性电荷态最稳定。
2014-07-22 cond-mat.mtrl-sci
Soft phonon modes in rutile TiO$_2$
采用热漫散射、非弹性X射线散射和密度泛函微扰理论研究了金红石结构TiO $_2$的晶格动力学。实验证实了在q =（1/2 1/2 1/4）处存在一个能量最小的反常软横声模。的声子能量景观，这个特定的分支的报告和比较的计算。谐波计算低估了声子能量，但尽管如此，能量景观和散射强度的形状都很好地再现。我们发现一个显着的温度依赖性的能量的横向声学模式在一个扩展的区域在倒易空间，这是在一个基本上非谐模式势能面。报道的低能量分支是完全不同的铁电模式，软化在布里渊区中心，并可能有助于解释计算TiO $_2$表面性质的异常收敛行为。
2015-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Electron-phonon coupling in d-electron solids: A temperature dependent study of rutile TiO2 by first-principles theory and two-photon photoemission
金红石型TiO 2是典型的过渡金属氧化物，在光学、电子、陶瓷等方面具有应用，受到电子-声子相互作用的影响。为了了解其电子能带的能量，以及在一般的半导体或金属中，前线轨道具有很强的d带特征，取决于温度，我们对电子-声子（e-p）相互作用的影响进行了全面的理论和实验研究。在双光子光电子能谱（2 PP）的研究中，我们观察到一个不寻常的温度依赖性的电子带能量的导带内的还原金红石二氧化钛，这是相反的，以及理解的sp-带半导体和点到目前为止无法解释的二分法在如何的电子-p相互作用影响不同的材料，其中前线轨道是来自sp-和d-轨道。为了开发一个广泛适用的模型，我们采用最先进的第一性原理计算，解释声子如何促进八面体晶体场内的Ti-3d轨道之间的相互作用的导带。将金红石型TiO_2晶格中Ti的3d轨道所经历的e-p相互作用的特征差异与更为熟悉的硅石英型SiO_2多晶型体的Si的2s轨道的行为进行了对比，其中前线2s轨道经历了类似的晶场，具有相反的效应。
2020-09-08 cond-mat.mtrl-sci
Lattice dielectric properties of rutile $\mathrm{TiO}_2$: First-principles anharmonic self-consistent phonon study
用从头算非谐晶格动力学方法计算了强非谐金红石$\mathrm{TiO}_2$的晶格介电函数。由于精确计算的$Γ$点声子的光学性质是必不可少的，我们采用修改后的自洽方法，包括三阶非谐以及四阶非谐。由此产生的光学声子频率和线宽在$Γ$点更好地符合实验测量比那些从微扰的方法。我们表明，四声子散射过程的贡献一样多的三阶非谐项声子线宽。此外，将声子线宽的频率依赖性表明，实验上已知的，但未确定的介电函数的峰值是由于双声子过程。这项工作强调了自洽的方法在预测高度非谐材料的光学性质的重要性。
2022-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical Analysis of STM Experiments at Rutile TiO_2 Surfaces
采用第一性原理原子轨道电子结构方法研究了金红石型钛白的低折射率表面。该方法是相对便宜的计算条件，使其有吸引力的氧化物表面的研究，其中许多进行大的重建，并可能受到氧空位缺陷的存在。计算的表面电荷密度的TiO $_2$的低指数表面，并讨论这些结果与实验STM图像的关系。在这些表面上的原子分辨率图像往往是在正偏压下产生的，探测状态主要由未被占用的Ti 3 $d$带，与O 2 $p$的小贡献。这些实验特别有趣，因为O原子倾向于位于Ti原子上方1埃，因此在图像形成中提供了电子和几何结构之间的叠加。
1996-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Observation of vacancy-related polaron states at the surface of anatase and rutile TiO2 by high-resolution photoelectron spectroscopy
在可还原氧化物的表面区域中的缺陷，如TiO 2，对应用具有深远的影响，而它们的性质非常受小极化子形成的可能性的影响。在这里，我们探测金红石（110）和金红石（101）单晶通过高分辨率紫外光电子能谱学和解决多个组件的带隙中的众所周知的缺陷状态。在金红石中，我们发现两个在VBM+2.1 eV和VBM+1.4 eV，我们分配到次表面极化子陷阱和空位束缚态，分别确认预测的部分抑制极化子形成在高空位浓度。新的缺陷是由同步加速器光束原位创建的表面上。我们分配一个组件在VBM+2.3 eV，可以通过退火去除，极化子状态与表面氧空位。我们还确定了第二个组件在VBM+1.6 eV，这不能通过退火去除，是太深，与氧空位。
2014-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Electrical switching effect of a single-unit-cell CrO2 layer on rutile TiO2 surface
金红石型CrO2是最重要的半金属材料，在费米能级处具有接近100%的自旋极化，金红石型TiO2是具有许多应用的宽禁带半导体。通过第一性原理研究表明，在金红石型TiO_2（001）表面上的CrO_2单胞层是铁磁性的，带隙为0.54 eV，当外加电场时，其电子态突然转变为典型的金属态。因此，这使得一个有趣的电开关效应，这可能是有用的自旋电子器件的设计。
2014-03-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Preferential Growth of Pt on Rutile TiO2
最近，在扫描透射电子显微镜中使用原子分辨率Z衬度图像和电子能量损失谱表征Pt/TiO 2（Degussa P25）催化剂系统揭示了Pt颗粒具有强烈的在TiO 2的金红石相上成核而不是在金红石相上成核的倾向。比较从头赝势计算Pt和Pt_2的化学计量和还原TiO_2表面，和氧空位（V_O）的形成能，以解决这一发现的微观起源。结果表明，Pt在金红石表面的结合强度更大，表明Pt在金红石表面的选择性生长是由于V_O在金红石表面的形成能较低，并且可能是由于V_O在金红石表面比在金红石表面更容易捕获大的Pt团簇。
2005-10-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Ab initio study of the TiO$_2$ Rutile(110)/Fe interface
用{ \it ab initio}密度泛函理论研究了Fe在金红石（110）表面的吸附.我们讨论了单个Fe原子的沉积，增加Fe覆盖率，以及小Fe团簇的吸附。结果表明，实验中发现的不同界面结构可以理解为Fe原子首先降落在金红石表面的吸附。一方面，如果单个Fe原子沉积，则形成强的界面键。另一方面，沉积的Fe团簇中的Fe-Fe键导致三维生长模式。在这两种情况下形成的主要是离子Fe-氧化物键，并且由于界面态，表面的电子带隙减小。除了结构和电子性质外，我们还讨论了界面对磁性的影响，发现界面内稳定的Fe磁矩和感生磁矩导致了金红石（110）/Fe界面处Fe原子的大自旋极化。
2013-04-02 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure of shallow donor state associated with muonium in rutile TiO$_2$
用μ子自旋旋转技术研究了金红石型TiO（$_2$，弱$n$型）中间隙μ中心的超精细结构。角分辨超精细参数在$ab$平面内具有四元各向异性，在$c$轴上具有轴向各向异性，这强烈表明Mu模拟了位于沿$c$轴的通道内偏离中心位置的间隙氢（H）的已知局域结构，并且与Mu结合的电子波函数是高度离域的（沿$c$轴约1.5 nm，$a$轴约0.8 nm）。从Mu信号在~8 K以上消失的情况直接推断出Mu（$\rightarrow μ^+ + e^-$）的热激活电离能为1.2（4）meV。这些观察结果表明，与Mu（以及H）相关的电子能级位于导带底部附近，作为金红石中的浅施主态。
2015-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Bi-Arrhenius diffusion and surface trapping of $^{8}$Li$^{+}$ in rutile TiO$_2$
我们报告的扩散速率的测量隔离离子注入$^{8}$锂$^{+}$内$\sim$ 120 nm的取向单晶金红石型TiO $_2$的表面使用放射性示踪剂技术。来自$^{8}$ Li衰变的$α$ -粒子提供了与表面的距离以及$^{8}$ Li的深度分布如何随时间演变的灵敏监测器。主要发现是注入的Li $^{+}$在（001）表面扩散和捕获。的T-依赖性的扩散率是由一个bi-Arrhenius表达式与激活能为0.3341（21）eV以上200 K，而在较低的温度下，它有一个小得多的势垒为0.0313（15）eV。我们认为可能的起源的表面陷阱，以及低T屏障的性质。
2019-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Adsorption and Diffusion of Pt and Au on the Stoichiometric and Reduced TiO2 Rutile (110) Surfaces
采用第一性原理赝势方法研究了Pt和Au原子在TiO 2金红石（110）表面的吸附和迁移. Pt和Au的行为类似于（i）最有利的吸附位点，这被认为是在化学计量和还原表面上的中空和取代位点，分别，（ii）在表面还原时，它们的结合能大幅增加（约1.7 eV），以及（iii）在化学计量表面上，它们的低迁移势垒接近0.15 eV。另一方面，Pt与两个表面的结合更强（约2 eV）。在化学计量比表面上，Pt的迁移模式预计是一维的，这主要是受与O原子的相互作用。金的迁移预计是二维的，金-钛相互作用发挥更重要的作用。在还原表面上，Pt扩散的迁移势垒显著大于Au。
2004-12-16 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure of Mu-complex donor state in rutile TiO$_2$
用μ子自旋旋转技术研究了金红石型TiO（$_2$，弱$n$型）中间隙μ子的超精细结构。角分辨超精细参数在$ab$平面内表现出四元各向异性，相对于$\langle 001\rangle$（$\hat{c}$）轴表现出轴向各向异性。这强烈表明，Mu结合到O（形成OH键）在偏离中心的网站内的通道沿$\hat{c}$轴，而未配对的Mu电子是本地化周围的相邻的Ti网站。超精细参数通过考虑Ti和O位点未配对电子自旋极化的模型进行了定量解释，为Mu形成为Ti-O-Mu复合顺磁态提供了证据。高于$\sim$ 10 K的Mu信号消失表明，通过热活化促进未成对电子到导带所需的能量为$10^1$ meV的量级。这些观察结果表明，虽然Mu（因此H）的电子结构与有效质量模型描述的传统浅能级施主的电子结构有很大不同，但Mu提供了一个松散结合的电子，因此可以作为金红石中的施主。
2015-08-03 cond-mat.mtrl-sci
Density functional characterization of the antiferromagnetism in oxygen-deficient anatase and rutile TiO2
我们提出的理论证据的局部磁矩的钛离子在缺氧的氧化铝和金红石型TiO 2在最近的实验中观察到[S. Zhou等人，B79，113201（2009）]。我们的第一性原理GGA+U计算结果表明，氧空位将两个Ti 4+离子转化为两个Ti 3+离子，这导致每个Ti 3+的局部磁矩为1.0 $μ_B$。然而，这两个Ti 3+离子形成稳定的反铁磁状态，并且在缺氧的金红石相TiO 2中也观察到类似的反铁磁。计算结果与实验观察到的缺氧Ti-O体系的类反铁磁行为符合得很好。
2009-10-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Hydroxylation of Rutile TiO$_2$ (110) Surface Enhancing Its Reducing Power for Photocatalysis
金红石型TiO $_2$（110）表面的羟基化是一个重要的研究课题，羟基引入的过量未成对电子对TiO（110）表面的化学性质和氧化过程起着至关重要的作用。本工作基于密度泛函理论（DFT）的Hubbard U修正，研究了羟基化TiO $_2$（110）表面的电子结构.发现一个有趣的效应是羟基化可以提高TiO $_2$的带边，从而可以提高其对电子的还原能力。这种带边位移的基本物理机制与表面羟基产生的电偶极子有关。
2015-10-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Peierls-like distortion drives anion ordering in rutile TiOF
本研究利用第一性原理 DFT 与结构枚举揭示金红石型 TiOF 中阴离子有序源于静电作用与 Ti-Ti 二聚化竞争，并预测随关联增强发生两次一级相变。
2024-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Electron $g$-value comparison of paramagnetic muonium and hydrogen centers in rutile TiO$_2$
Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency（日本原子能机构先进科学研究中心）；Department of Physics, Institute of Science Tokyo（东京科学大学物理系）；Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)（高能加速器研究机构物质结构科学研究所）
本文利用双电子-μ子共振测定金红石TiO$_2$中Mu中心的电子$g$值，发现其与H相关Ti$^{3+}$中心高度一致，验证了Mu-H对应关系并支持共同的局域Ti$^{3+}$电子核心。
2026-09-18 cond-mat.mtrl-sci
The electronic and magnetic structure of p-element (C,N) doped rutile-TiO$_{2}$; A hybrid DFT study
本文研究了金红石型TiO ${_2}$中碳、氮杂质和杂质的电子结构和磁结构。为此，我们执行\textit{ab-initio}计算的48个原子的超原胞采用的VASP代码。为了获得一个真实的描述的电子和磁性结构，交换和相关处理与HSE 06混合泛函。原子位置和晶胞尺寸都是完全松弛的。取代的碳和氮被发现具有2和1 $μ{_B}$的磁矩，分别与反铁磁长程序的趋势。对于间隙位上的C/N，我们发现碳是非磁性的，而氮总是具有1 $μ{_B}$的磁矩。我们发现，这些间隙的位置上的总能量的鞍点。当碳和氮形成C-O和N-O二聚体时，达到稳定的构型，其键长接近CO和NO的双键。这一结果与早期的实验研究相一致，从XPS测量检测到这样的N-O实体。计算了这些二聚体的对称伸缩模的频率，为实验验证提供了一种手段。对于所有的配置调查的C和N状态内发现的TiO ${_2}$间隙。这些新的电子状态进行了讨论，相对于调谐掺杂TiO ${_2}$的应用，
2015-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Water dissociation on pristine low-index TiO2 surfaces
原始低折射率TiO $_2$界面上的水吸收和解离过程很重要，但除了研究充分的金红石（101）和金红石（110）之外，人们对其了解甚少。为了理解这些，我们构建了三套机器学习的潜力，同时适用于各种TiO $_2$表面，基于三个密度泛函理论近似。我们计算了七种TiO $_2$表面的水解离自由能，预测了TiO（100）、TiO（110）、TiO（001）和TiO（011）表面有利于水解离，TiO（101）和TiO（100）表面主要是分子吸附，而计算的金红石（110）表面上的解离分数可能取决于假定的密度泛函。此外，使用自动化算法，我们发现，这些表面遵循不同类型的质子转移和水解离的原子机制：一步，两步，或两者兼而有之。因此，我们的发现表明，不同的原始TiO $_2$表面以不同的方式与水反应，并且不能仅用低能的金红石（101）和金红石（110）表面来表示。
2023-03-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A direct view at excess electrons in TiO$_2$ rutile and anatase
结合扫描隧道显微镜/光谱学和密度泛函理论（DFT+U），对TiO $_2$金红石型和金红石型两种具有相同化学组成但不同晶格的典型材料中的过剩电子进行了表征。在金红石中，多余的电子可以定位在任何晶格Ti原子，形成一个小的极化子，它可以很容易地跳到相邻的网站。相比之下，在铌中的电子更喜欢自由载流子状态，并且只能被捕获在氧空位附近或形成与Nb掺杂剂结合的浅施主状态。本研究最终解释了两种多晶型物之间的差异，并表明即使晶格中很小的结构变化也会导致非常不同的行为。
2014-07-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Engineering Si doping in anatase and rutile TiO$_2$ with oxygen vacancy for efficient optical application
本文采用密度泛函理论和动力学平均场论研究了掺杂$TiO_2$金红石和另一种含氧空位的四方晶系金红石的电子性质。应用屏蔽混合交换相关密度泛函从电子结构得到了态密度和光学性质。所有的单粒子激发都在独立准粒子的动力学平均场论中处理。在光学性质方面，通过求解库仑关联电子-空穴双原子的Bethe-Salpeter方程来考虑激发。在此理论基础上，给出了两种结构的$TiO_2$的能带结构和光谱。此外，我比较了目前的结果与早期的光学数据的母结构，并建立了增加的光学效率在掺杂$TiO_2$与氧空位的结构。
2019-11-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Challenges in Band Alignment between Semiconducting Materials: A Case of Rutile and Anatase TiO$_2$
这篇专题综述集中在最近活跃的争论之间的两个多晶型的TiO $_2$，金红石和金红石的能带排列。总结了目前常用的材料能带排列测量和计算方法。通过对最近的实验和理论报道的分析，我们指出，TiO $_2$两相能带排列的显著差异是由于影响能带排列的因素，而不需要明确的答案。根据界面的存在这一重要因素，提出了耦合和本征能带排列的新分类。这种分类确实揭示了金红石/金红石界面可以定性地改变其能带排列的类型。然而，为了更好地理解材料能带的变化，需要进一步系统地了解界面和影响能带排列的其他因素。从金红石和金红石之间的能带排列的讨论中获得的结果也可以用于其他半导体之间的能带排列。
2019-04-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Co distribution in ferromagnetic rutile Co-doped TiO$_2$ thin films grown by laser ablation on silicon substrates
采用脉冲激光沉积技术在硅基片上制备了金红石型Co掺杂TiO $_2$薄膜。在合适的制备条件下，薄膜中的Co浓度可以与合成靶中的Co浓度基本相同，并且在各种条件下的薄膜在室温以上都具有很好的铁磁性。尽管卢瑟福背散射光谱测量表明Co原子似乎主要位于薄膜表面附近，而较少存在于更深的能级，但其他实验证据表明铁磁性不是来自Co偏析，而是来自Co掺杂的TiO $_2$基质。用简单的方法在廉价的硅衬底上制备了居里温度（TC）在400 K以上的金红石型Ti $_1-x$ Co $_x$ O $_2$薄膜。
2003-08-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Phonon quarticity induced by changes in phonon-tracked hybridization during lattice expansion and its stabilization of rutile TiO$_2$
虽然TiO $_2$的金红石结构在高温下是稳定的，但是传统的准谐波近似预测随着热膨胀，几个声学声子不利地减少到零频率，错误地预测了在远低于1000 K的温度下的结构崩溃。用非弹性中子散射测量了金红石型TiO $_2$在300 ~ 1373 K范围内的声子态密度随温度的变化关系。令人惊讶的是，发现这些异常声学声子的频率随温度增加。第一性原理计算表明，随着晶格膨胀，反常声学声子的势从二次转变为四次，使金红石相在高温下稳定。在这些模式中，相邻的Ti和O原子的振动位移引起Ti的$3d$电子和O原子的$2p$电子的杂化变化。随着热膨胀，这种“声子跟踪杂化”中的能量变化使Ti和O原子之间的原子间势阱的底部变薄，并诱导声子势的四阶性。
2015-08-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Photocatalytic Behavior of Fluorinated Rutile TiO$_2$(110) Surface: Understanding from the Band Model
TiO $_2$（F-TiO $_2$）的表面修饰在有机物的降解中具有复杂的光催化行为。这项工作试图建立一个优雅的场景的基础上带模型来理解这种行为。密度泛函理论（DFT）计算表明，金红石型TiO $_2$（110）表面（F-TiO $_2$ ${110}$）的晶格畸变导致能带边缘下降.价带边（VBE）的下降有利于自由$\cdot$ OH自由基的产生，而导带边（CBE）的下降降低了光电子的还原能力，抑制了光电子介导的还原反应。结果，由于电中性的要求，光电子在导带中积累，这抑制了价带中的光空穴以产生$\cdot$ OH自由基，从而导致有机化合物的低降解速率。尽管如此，我们的模型提出了一种提高降解效率的途径，通过引入光电子清除剂来促进$\cdot$ OH自由基的形成。
2017-11-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Calculation of point defects in rutile TiO2 by the Screened Exchange Hybrid Functional
采用屏蔽交换（sX）混合密度泛函方法计算了金红石型TiO2中氧空位和钛间隙的形成能，得到的禁带宽度为3.1 eV，与实验值接近.的O空位引起的间隙状态躺在0.7 eV以下的导带边缘，其电荷密度是本地化周围的两个三个Ti原子旁边的空位。Ti间隙在带隙中产生四个缺陷态，其未成对电子位于间隙和相邻的Ti 3d轨道上。对于贫氧化学势，中性O空位的形成能为1.9 eV，与中性Ti间隙的形成能相似，并且对于富氧条件下的Ti间隙具有较低的形成能。这表明O空位和Ti间隙都与金红石型TiO 2中的氧缺乏有关，但在富O条件下O空位将占主导地位。这解决了文献中关于缺陷定位和缺陷优势的问题。
2012-07-11 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
Ab-initio calculations of the Optical band-gap of TiO2 thin films
钛白在环境净化方面具有重要的光催化作用，近年来得到了广泛的研究。如何使TiO2的光学带隙变窄是提高其光催化性能的关键。采用螺旋磁控溅射法在蓝宝石和SrTiO 3衬底上制备了金红石型和金红石型TiO 2薄膜，并对其光学带隙与晶格常数进行了关联。大块金红石的光学带隙为3.03 eV，对于蓝宝石上的薄膜增加到3.37 eV。在SrTiO 3上，体相掺杂的带隙从3.20 eV增加到3.51 eV。为了解释这两个阶段的光学带隙扩展，使用维也纳从头计算软件进行从头计算。对金红石型的计算表明，随着体积的减小或晶格常数的增大，禁带宽度几乎呈线性增大。计算的禁带宽度与实验值吻合较好。从这些计算得出的结论是，为了实现金红石或金红石的更小的带隙，晶格常数c必须被压缩，并且a必须被扩展。
2004-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Microscopic Dynamics of Li$^{+}$ in Rutile TiO$_{2}$ Revealed by $^{8}$Li $β$-detected NMR
我们报告的动力学测量孤立$^{8}$锂$^{+}$在单晶金红石TiO $_{2}$使用$β$检测NMR。从自旋-晶格弛豫和运动窄化，我们发现两套热激活动力学：一个低于100 K;和一个在较高的温度。在低温下，激活势垒为$26.8(6)$ meV，前因子为$1.23(5) \times 10^{10}$ s $^{-1}$。我们认为这是无关的锂$^{+}$运动，而是一个后果的电子极化子在附近的植入$^{8}$锂$^{+}$是已知的，成为移动在这个温度范围内。高于100 K，锂$^{+}$经历长程扩散作为一个孤立的未络合的阳离子，其特征在于由活化能和前因子的$0.32(2)$ eV和$1.0(5) \times 10^{16}$的$^{-1}$，与宏观扩散测量。这些结果在稀释极限从显微镜探针表明，锂PDMATHAMN浓度不限制的扩散率，甚至高浓度，但一些关键成分是失踪的计算中的迁移障碍。异常前因子提供了进一步了解锂$^{+}$和极化子运动。
2017-09-19 cond-mat.mtrl-sci
Water reactions on reconstructed rutile TiO$_2$: a DFT / DFTB approach
水与金红石的反应性相互作用还远未得到最终的理解，这对植根于量子力学的原子模拟技术仍然是一个挑战。结果表明，TiO $_2$ /水界面的静态几何结构可以用密度泛函紧束缚理论（DFTB）进行描述.然而，这种方法需要进一步的改进，以重现低解离倾向的H $_2$ O吸附后的密度泛函理论（DFT）预测。水的表面反应性的可靠描述是研究富含Ti的（001）面的非化学计量重构的基础。基于（DFT）的计算预测的转变温度与实验结果非常一致的开始重建，并建议，这个表面，在与液态水接触，可以促进自发H $_2$ O分裂和形成H $_2$分子。
2021-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The interactions of same-row oxygen vacancies on rutile TiO$_2$(110)
基于金红石（110）表面氧空位的偶极-弹性模型，解析计算了周期性双空位阵列的总能量，并从总能量密度泛函理论（DFT）计算中提取了相互作用参数.我们的计算表明，偶极模型适用于次近邻空位和超越。相邻空位的弹性偶极相互作用消失，但它们仍然经历静电排斥。建议的相互作用模型预测的空位分离分布，同意与我们的超高真空扫描隧道显微镜实验中确定的，并提供了一个角度来理解早期的DFT报告。
2013-01-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
First-principles study of the influence of (110) strain on the ferroelectric trends of TiO$_2$
采用两种不同的密度泛函理论方法，研究了单轴应变对TiO $_2$（金红石）中原子位移、偶极相互作用、极化和介电常数的影响.结果表明，计算使用维也纳从头算模拟包（VASP）和平面波自洽场方法（PWSCF）产生定性相同的原子弛豫和铁电应变下的趋势。采用线性响应方法得到的无应变和应变TiO $_2$（金红石型）的声子色散曲线证实了以前的计算的巨大LO-TO分裂和软极性模的出现。在（110）方向的膨胀应变下，出现了向铁电相的二级相变，其极化方向为（110）。
2011-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Transition Metal Atoms Pathways on Rutile TiO2 (110) Surface: Distribution of Ti3+ States and Evidence of Enhanced Peripheral Charge Accumulation
金属纳米颗粒和负载型TiO 2表面之间的电荷转移对于催化应用是非常重要的，因为它极大地影响了沉积在表面上的纳米颗粒的催化活性和热稳定性。在此，进行系统的自旋极化密度泛函计算来评估几种过渡金属单体在化学计量和还原的金红石TiO 2（110）表面上的吸附、扩散和电荷状态。研究了氧空位及其伴随的过量电子在影响单体活化中的作用。对于原始的还原表面，我们的混合泛函计算表明，只有一小部分（约5%）的多余电子占据最顶部的表面，这主要是离域在第二个最近和第三个最近的五次协调Ti（Ti5c）原子。少量的过量电子填充在Ti5c原子可以转移到强电负性的吸附物，如Au和Pt，从而使适度的吸附，而没有稳定的吸附在Ti5c网站被发现为其他电负性较低的TM吸附原子（Ag，Cu，Fe，Co，Ni和Pd）的还原表面上和化学计量表面上的所有吸附原子。这一发现澄清了O2和CO分子在Ti5c位点的吸附与电荷转移的实验观察的起源。此外，在Ov周围的Ti5c网站上的过剩电子的空间重新分配的单体吸附后，彻底检查。我们的发现在单体周围的Ti5c位点处的过量电子的积累解释了沉积的纳米颗粒的周边界面在促进实验中观察到的反应物的吸附和活化中的关键作用。
2013-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Bond-Strength-Based Understanding of Oxygen Vacancy Migration Barriers in Rutile Oxides
Inha University（仁荷大学）
本文通过结合DFT和键价模型，分析了rutile型3d过渡金属二氧化物中氧空位迁移势垒（E_B）的键强性贡献，提出基于S_c和S_i的平均值可有效估计DFT计算的E_B。
2026-04-08 cond-mat.mtrl-sci
A theoretical analysis of small Pt particles on rutile TiO$_2$(110) surfaces
采用原位d-d库仑相互作用校正的混合密度泛函理论计算方法，系统研究了Pt $_n$（n = 1- 4）团簇在化学计量、还原和重构金红石型TiO $_2$（110）表面的吸附分布和电子结构.小团簇Pt吸附物的原子结构主要取决于相应二氧化钛载体的化学计量比。团簇在体封端理想表面上的形状类似于它们的气相低能结构。然而，例如，它们在还原表面上随着氧空位的增加而显著扭曲。在非化学计量比的表面上，Pt-Ti配位在确定吸附几何形状中成为主导。Pt $_n$ /TiO $_2$（110）体系的电子结构不能用纯密度泛函方法准确描述，特别是对于非化学计量比的情况，这是由于对$d$电子的关联处理不当造成的.我们进行了DFT+U计算，给出了一个合理的描述重构金红石（110）表面。Pt团簇引起的局部表面弛豫影响了二氧化钛载体的能带边缘，并带来了一些带隙状态，这取决于团簇的大小。显着的带隙变窄发生在Pt $_n$ -表面相互作用，由于吸附物驱动状态的批量终止和减少的表面。另一方面，它们引起与重建表面的部分再氧化相关的带隙加宽。甚至对于金红石上的Pt $_4$也没有金属化。
2010-08-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
UPS and UV spectroscopies combined to position energy levels of TiO2 anatase and rutile nanopowders
半导体纳米粉体电子结构的精确实验测定是一项具有挑战性的任务。我们建议将UPS和UV-Vis光谱结合起来，以获得粉末样品，TiO_2金红石和金红石的电子带排列的完整描述。对于UPS测量，两种制备方法，即滴制法和电泳沉积法，被用来制备导电基板，ITO或Ag上的二氧化钛粉末层。这两种方法导致可比的结果，从价带的能级的定量描述。将这些结果与相同粉末的UV-Vis光谱相结合，能够确定价带最大值和导带最小值的绝对位置。结合UPS-紫外可见光谱提供了一个更好的洞察粉末材料的性质，可以从单晶模型系统不同。它也可以用来预测在光催化过程中，在混合相系统中的电子转移。
2022-01-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Anisotropic relaxations introduced by Cd impurities in Rutile TiO2: first-principles calculations and experimental support
我们提出了一个从头算研究的弛豫引入TiO 2时，Cd杂质取代Ti原子和这个计算的扰动角相关（PAC）测量的电场梯度（EFG）张量的方向在Cd网站的实验测试。从头计算预测了杂质的最近邻氧的强各向异性弛豫和最大EFG张量分量V33的取向的变化，从[001]到[110]方向后，由Cd杂质取代Ti原子。PAC实验证实了最后的预测，表明Cd位的V33平行于[110]或[1 \bar{1} 0]晶轴。
2002-06-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Quasiparticle and Optical Properties of Rutile and Anatase TiO$_{2}$
用多体微扰理论计算了TiO $_{2}$的准粒子激发能和金红石型和金红石型结构的光学性质。计算进行冻结晶格，电子-声子耦合没有明确考虑。在GW方法中，几种近似进行了比较，发现列入的全频率依赖性以及明确的治疗Ti半核心状态是必不可少的准粒子能带隙的准确计算。计算的准粒子能量与现有的光电发射和逆光电发射实验符合得很好。GW计算的结果，连同计算出的静态屏蔽库仑相互作用，被用于Bethe-Salpeter方程计算金红石和金红石结构的介电函数$ε_{2}(ω)$。结果与实验观察结果吻合良好，特别是在4 eV附近的主要吸收特征的开始。为了与解决金红石中单个激子跃迁的低温光吸收测量进行比较，仅用电子屏蔽计算低位离散激子能级。在金红石的能隙中发现的最低能量激子具有0.13 eV的结合能。与实验一致，它是不允许的偶极，但计算的激子能量超过吸收实验中测量的约0.22 eV和激子结合能的尺度也太大。计算了非极性（110）面金红石的准粒子能量排列。在GW近似下，价带最大值低于真空能级7.8 eV，显示出与密度泛函理论结果的小偏移。
2010-06-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Oxygen-vacancy driven electron localization and itinerancy in rutile-based TiO$_2$
采用电荷自洽的密度泛函理论（DFT）和动力学平均场理论（DMFT）相结合的方法，研究了金红石结构的缺氧TiO $_2$和Ti $_3$ O $_5$ Magn{é}Li相.它表明，一个孤立的氧空位（V $_{\rm O}$）在钛白是不足以在低温下金属化的系统。在半导体相，在$\varepsilon_{\rm IG}^{\hfill}\sim -0.75\,$ eV\，在良好的协议与实验数据的间隙状态被确定。带状杂质水平，从一个三倍的V $_{\rm O}$ -Ti的协调以及纠缠$(t_{2g},e_g)$状态，成为本地化由于网站相关的电子。在V $_{\rm O}$ -近钛离子中发生电荷局域化和强轨道极化，其细节可以通过相关子空间的变化来修改。在较高的氧空位浓度下，相关金属稳定在Magn{é}Li相中。具有相同化学计量比的V $_{\rm O}$缺陷金红石结构显示出轨道分辨特征和光谱性质的关键差异。在氧不足的化合物中，电荷有序化是至关重要的，但没有发现明显的由电荷有序驱动或维持的金属-绝缘体转变。
2017-05-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
A polarizable interatomic force field for TiO$_2$ parameterized using density functional theory
我们报告了一个经典的TiO $_2$，这已被参数化使用密度泛函理论力，能量和应力的金红石晶体结构的原子间力场。通过计算结构性质、状态方程、声子性质、热膨胀以及定容下的熵、自由能和比热等热力学量，验证了新经典势的可靠性.我们的结果与{ \em ab initio}计算和实验数据的良好协议，表明我们的力场描述的TiO $_2$在金红石结构中的原子相互作用非常好。该力场也能很好地描述板钛矿和铌酸锂晶体的结构。
2010-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Sand Supported Mixed-Phase TiO$_2$ Photocatalysts for Water Decontamination Applications
采用有机金属前驱体在石英砂、锆英石砂和金红石砂表面制备了TiO $_2$涂层。采用X射线衍射、X射线荧光、紫外-可见光谱和比表面积测定等方法对载体材料进行表征。用激光拉曼光谱和扫描电镜对涂层的相组成和形貌进行了表征。采用填充床反应器研究了负载型光催化剂对循环水中大肠杆菌的灭活作用。结果发现，砂粒很好地涂覆有均匀的TiO 2层，并且涂层很好地粘附，在850 ℃下烧制后表现出混合的金红石组合物。光催化活性是最高的涂层应用于石英砂，虽然消毒的循环水没有实现与任何材料的调查。石英作为TiO $_2$光催化剂载体材料的优点可能是由于这种材料具有较高的纯度和光学透射率。不能排除通过Si掺杂的电势增强。
2021-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Structure of a model TiO2 photocatalytic interface
水与TiO 2的相互作用对其许多实际应用至关重要，包括光催化水分解。在40年前首次证明这一现象之后，已经有了许多关于金红石单晶TiO 2（110）与水的界面的研究。这提供了对水-TiO 2相互作用的原子级理解。然而，几乎所有以前的研究水/二氧化钛界面涉及水在汽相。在这里，我们探索的界面结构之间的液体水和金红石型TiO 2（110）表面预先在原子水平上的特点。扫描隧道显微镜和表面X-射线衍射被用来确定的结构，这是由一个有序的阵列的羟基分子与分子水在第二层。静态和动态的密度泛函理论计算表明，一个可能的机制，用于形成的羟基覆盖层涉及的混合吸附的O2和H2O上的部分缺陷的表面。定量的结构性质，这里推导出的基础上，探索的原子性质，因此，在TiO 2纳米粒子的机制。
2016-11-18 cond-mat.mtrl-sci
