Quantum Monte Carlo study of the energetics of the rutile, anatase, brookite, and columbite TiO$_2$ polymorphs
采用扩散量子蒙特卡罗（DMC）方法和密度泛函理论（DFT）计算了TiO $_2$的低压金红石、金红石、板钛矿和高压铌铁矿的相对能量随温度的变化.振动能被发现是重要的规模上的利益和显着的四阶非谐性被发现在金红石相。静态晶格DFT计算预测，金红石的能量低于金红石，与实验不符。DMC计算提供的电子相关性的准确描述和非谐振动效应的列入有助于稳定金红石相对于金红石。我们的计算预测了在$630 \pm 210$ K下从金红石型到金红石型的$_2$的相变。
2016-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Atomically flat reconstructed rutile TiO2(001) surfaces for oxide film growth
具有原子级平坦表面的低折射率金红石TiO2单晶衬底的可用性对于实现金红石过渡金属氧化物膜的外延生长至关重要。金红石（001）表面的高表面能通常导致表面刻面，这排除了通常用于制备干净且原子级平坦的TiO 2（110）基材表面的溅射和退火处理。在这项工作中，我们发现，稳定和原子级平坦的金红石型TiO 2（001）表面可以制备原子级有序的重建表面已经在炉中退火处理在空气中。我们尝试性地将此结果归因于与表面重建相关的表面能的降低，这去除了小面的驱动力。尽管狭窄的温度窗口，这种形态最初可以形成，我们证明，它坚持在同质外延生长的TiO 2（001）薄膜。防止高表面能晶面的小面化的表面重建的稳定化可以提供朝向实现更宽范围的高质量外延过渡金属氧化物异质结构的有希望的途径。
2016-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Do Small Hole Polarons Form in Bulk Rutile TiO$_2$?
本文用满足 Koopmans 条件的杂化泛函并结合电荷修正开展第一性原理计算，澄清小空穴极化子在块体金红石 TiO$_2$ 中不稳定、而在锐钛矿中稳定。
2024-10-28 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
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
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
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
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
Adsorption of maleic acid monomer on the surface of hydroxyapatite and TiO2: a pathway toward biomaterial composites
聚（苯乙烯-alt-马来酸）吸附羟基磷灰石和二氧化钛（金红石）进行了研究，使用实验技术和补充的\textit{ab initio}模拟吸附的马来酸链段作为一个亚基的共聚物。从头计算表明，马来酸段形成一个强大的共价键的TiO 2和羟基磷灰石表面。如果与真空相比，溶剂的存在会随着溶剂极性的增加而显著降低吸附强度。第一性原理计算结果与实验测量结果相吻合。我们发现，吸附的聚（苯乙烯-alt-马来酸）允许有效的分散金红石和电泳沉积膜的形成。此外，金红石可以与羟基磷灰石共分散共沉积形成复合膜。该涂层显示出金属植入物在模拟体液溶液中的增强的腐蚀保护，这为用于生物医学应用的先进复合材料的合成、分散和胶体加工开辟了新的途径。
2018-08-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
First-principles embedded-cluster calculations of the neutral and charged oxygen vacancy at the rutile TiO$_2$(110) surface
利用全势屏蔽杂化密度泛函理论（DFT）计算了金红石型TiO $_2$（110）表面氧空位的中性态和带电态的热力学稳定性.采用固体（QM/MM）嵌入团簇计算来解释TiO $_2$对带电缺陷态的强极化响应。与体O空位的情况类似，发现+2电荷态$V_{\rm O}^{2+}$在能量上是迄今为止最稳定的。只有当费米能级位置非常接近导带时，小的极化子才可能被带电荷的空位俘获。$V_{\rm O}^{2+}$形成能随费米能级位置的降低而大幅降低，表明$p$掺杂样品的表面O空位浓度强烈增强。
2015-06-01 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
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
A DFT+U study of Rh, Nb codoped rutile TiO2
采用密度泛函理论（DFT）+U方法对Rh和Nb单掺杂和电荷补偿共掺杂金红石型TiO 2的电子结构和带隙态进行了系统的研究。Rh原子掺杂的金红石型TiO 2诱导杂化的O 2 p和Rh 4d带隙态，导致光吸收边的红移，与以前的实验研究一致。由于Rh单掺杂可以诱导复合中心，还探索了Rh和Nb的电荷补偿共掺杂。这种共掺杂诱导从Nb诱导态到Rh 4d态的电子转移，这抑制了Rh 4+的形成，从而导致复合中心的减少和更稳定的Rh 3+的形成。带隙减少0.5 eV和消除占复合中心的带隙状态的组合使得（Rh，Nb）共掺杂的TiO 2成为更有效和稳定的光催化剂。
2012-10-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
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
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
Steps on Rutile TiO2(110): Active Sites for Water and Methanol Dissociation
我们提出了一个详细的调查的结构和活动的扩展缺陷，即单原子步骤（1x 1）-TiO 2（110）。具体而言，两个最稳定的<001>和<1-11>步骤的边缘被认为是。采用自动遗传算法，采样大量的候选人为每个步骤的边缘，更稳定的，重建的结构被发现的<1-11>步骤的边缘，而批量截断的结构被恢复的<001>步骤的边缘。我们演示了如何沿这些缺陷的氧空位有较低的形成能量比平坦的梯田和水和甲醇分子如何吸附解离减少<1-11>步骤的边缘。我们的研究结果与早期的实验结果是一致的，并表明一个重要的贡献，从台阶边缘的TiO 2（110）表面的反应性。
2011-11-02 cond-mat.mtrl-sci
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
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
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
A Theoretical Investigation of the Thermal and Photochemical Mechanisms of Ethylbenzene Dehydrogenation on Rutile TiO$_{2}$(110)
University of Oldenburg（奥尔登堡大学）
本研究通过量子化学方法探讨乙苯在金红石TiO$_{2}$(110)表面热力学与光化学脱氢机理，揭示了光化学路径中质子耦合电子转移（PCET）主导，并发现表面氧化对反应机制有根本性影响。
2026-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
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
First-principles Hubbard U and Hund's J corrected approximate density-functional theory predicts an accurate fundamental gap in rutile and anatase TiO2
钛白（TiO $_2$）对近似Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）及其Hubbard修正扩展DFT+ $U$提出了长期的挑战。我们发现，先前提出的扩展的第一原理DFT+ $U$纳入洪德的$J$校正，称为DFT+ $U$ + $J$，结合使用最近提出的线性响应理论计算的参数，预测基本带隙准确以及在金红石和金红石TiO $_2$的实验不确定性。我们的方法建立在已建立的研究结果，哈伯德修正钛$3d$和氧$2p$在TiO $_2$子空间，象征性地给出DFT+ $U^{d,p}$，是必要的，以实现可接受的带隙使用DFT+ $U$。当包含Hund的$J$第一原理时，该要求仍然存在。我们还发现，即使使用子空间特定的第一性原理$U$和$J$参数时，计算出的间隙取决于相关的子空间定义。使用最简单合理的相关子空间定义和基本功能，局部密度近似，我们表明，高精度的结果，从使用一个相对简单的形式的DFT+ $U$ + $J$功能。对于闭壳层系统，如TiO $_2$，我们描述了如何各种DFT+ $U$ + $J$泛函减少到DFT+ $U$适当修改的参数，使可靠的带隙可以计算金红石和金红石没有修改传统的DFT+ $U$代码。
2020-06-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
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
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
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 Study of Phase Stability in Doped TiO2
采用全电子原子轨道方法和局域密度近似（LDA），对金红石型和金红石型TiO 2的相对稳定性进行了从头算密度泛函理论（DFT）计算.金红石相表现出一个温和的边缘稳定的~ 3毫电子伏相对于原始材料中的金红石相。通过计算分析不同电荷态的Si、Al、Fe和F掺杂剂在金红石和金红石中不同费米能级能量的形成能，发现阳离子掺杂剂在Ti替代晶格位置最稳定，而F掺杂在间隙位置的形成能最小。发现所有掺杂剂相对于金红石相显著地稳定了铁磁，表明在这样的系统中铁磁到金红石相的转变被抑制，其中掺杂剂以铁磁稳定强度的顺序排列为F>Si>Fe>Al。Al和Fe掺杂剂被发现作为浅受体与电荷补偿实现通过形成移动载流子，而不是形成阴离子空位。
2012-10-29 cond-mat.mtrl-sci
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
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
A computational investigation of H2 adsorption and dissociation on Au nanoparticles supported on TiO2 surface
讨论了负载在金红石型TiO_2（110）表面上的金纳米粒子在H_2吸附和解离过程中所起的特殊作用。结果表明，H2在n = 1，2，8和20的Au_n团簇上的分子吸附和解离吸附取决于团簇的尺寸、几何结构、团簇的柔性以及与载体材料的相互作用。金红石型TiO_2（110）载体对金团簇上的H_2解离有很强的促进作用。它表明，对H2解离的活性位点位于角落和边缘上的支持物附近的金纳米粒子的表面上。TiO2（110）表面上的低配位氧原子对H2解离起着至关重要的作用。因此，负载在金红石TiO2（110）表面上的金纳米颗粒的催化活性与纳米颗粒和载体之间的周边界面的长度成比例。
2011-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
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
Using Density Functional Theory to Model Realistic TiO2 Nanoparticles, Their Photoactivation and Interaction with Water
实际尺寸的钛白纳米颗粒的计算建模对于与实验的直接比较是极其相关的，但它也是一个相当苛刻的任务。我们最近研究了一个多步骤/规模的程序，以获得化学稳定的球形二氧化钛纳米粒子的尺寸不断增加的全局优化的最小结构，直径从1.5 nm（~300个原子）到4.4 nm（~4000个原子）。我们首先使用自洽电荷密度泛函紧束缚（SCC-DFTB）方法进行热退火模拟，以获得全局优化的结构，然后混合密度泛函理论（DFT），以完善它们，并实现高精度的结构和电子性能的描述。这也允许评估SCC-DFTB性能与DFT（B3 LYP）结果相比。作为进一步的步骤，我们研究的光激发和光电子发射过程中的电子/空穴对的形成，分离，捕获和复合的纳米球的中等尺寸的混合DFT。最后，我们展示了最近定义的SCC-DFTB新参数集如何正确描述二氧化钛/水多层膜界面，为在水性环境中模拟大型真实纳米粒子铺平了道路。
2018-09-07 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
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
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
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
Optimized FTO seeding enables the growth of high efficient Ta-doped TiO$_2$ nanorod photoanodes
采用一种新的引晶方法在FTO衬底上水热生长了钽掺杂的金红石纳米棒。这种方法允许掺入高达4.8at%的高浓度钽作为活性掺杂，并导致光电化学水裂解速率的显著增强（在+1.5V vsRHE的电势下为1.8mA/cm 2），其对应于约1.5mA/cm 2。在AM 1.5，100 mW/cm 2模拟太阳光照射下，光电流转换效率为1%。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Composition, structure, and stability of the rutile TiO_2(110) surface: oxygen depletion, hydroxylation, hydrogen migration and water adsorption
用密度泛函理论结合热力学方法，计算了金红石型TiO_2（110）表面在有限温度和压力下与周围气相平衡时的最低能量结构和组成的相图。考虑了氧、氢和水分子与气相的交换。特别注意的是收敛的横向系统的大小和板厚方面的所有计算。此外，半局部密度泛函描述的能量约化表面的可靠性进行了严格的评估。对于环境条件下的表面被发现是完全覆盖的分子吸附水。在低覆盖度下，在单个孤立水分子的极限下，分子吸附和解离吸附变得能量简并。氧空位形成于强还原性的贫氧环境中。然而，已经在稍微更温和的条件下，它表明，从表面去除全部TiO_2单元是化学上优选的。与最近的实验观察相一致，进一步证实，即使在极富氢的环境下，表面也不能完全羟基化，但只能达到约0.6-0.7单层的氢的最大覆盖率。最后，迁移路径的计算强烈表明，氢更倾向于扩散到散装解吸从表面进入气相。
2009-02-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Au/TiO2(110) interfacial reconstruction stability from ab initio
利用密度泛函理论能量密度计算方法，研究了低折射率Au表面与TiO_2（110）的界面稳定性和界面性质.我们认为Au（100）和Au（111）在金红石型TiO_2（110）表面上外延生长。对于每种外延，我们考虑几种不同的界面：Au（111）//TiO 2（110）和Au（100）//TiO 2（110），有和没有桥接氧，Au（111）在1x 2添加行TiO 2（110）重构上，Au（111）在建议的1x 2 TiO重构上。密度泛函理论能量密度方法计算形成界面时每个原子上的能量变化，并评估粘附功以确定平衡界面结构。
2011-08-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-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
