[論文レビュー] Optical properties of anatase and rutile TiO2 studied by GGA+U

Jinping Li, Meng Song-he+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2016

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Ti 3dおよびO 2p軌道に対するハッブルU補正を含む最初からのGGA+U法を用いて、ルチールおよびルチル相TiO2の光学的および電子的性質を調査した。この手法により、実験的に観測されたバンドギャップを正確に再現することができる。結果として、実験的光学データと優れた一致を示し、二つの相の間で顕著な異方性および二色性の違いが明らかになった。本研究は、TiO2ベースのオプトエレクトロニクス素子の設計に信頼できる理論的枠組みを提供する。

ABSTRACT

The optical properties of thermally annealed TiO2 samples depend on their preparation process, and the TiO2 thin films usually exist in the form of anatase or rutile or the mixture of the two phases. The electronic structures and optical properties of anatase and rutile TiO2 are calculated by means of First-principles generalized gradient approximation (GGA) +U approach. By Introducing the Coulomb interactions on 3d orbitals of Ti atom (Ud) and 2p orbitals of O atom (Up), we can reproduce the experimental values of the band gap. The optical properties of anatase and rutile TiO2 are obtained by means of GGA+U method, well agreeing with experimental results and other theoretical data. Further we present the comparison of the electronic structure, birefringence and anisotropy between the two phases of TiO2.

研究の動機と目的

• オプトエレクトロニクス応用において極めて重要な、ルチルおよびルチル相TiO2の電子構造および光学的性質を正確にモデル化すること。
• 標準的DFTにおけるバンドギャップの過小評価問題を解消するため、Ti 3dおよびO 2p軌道にハッブルU補正を施したGGA+U法を適用すること。
• ルチルおよびルチル相TiO2の電子構造、二色性、光学的異方性を比較すること。
• 理論的予測を実験的光学データおよび他の理論的結果と照合して検証すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）フレームワーク内での最初からの密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• バンドギャップの予測精度を向上させるために、ハッブルU補正（Ti 3dのUd、O 2pのUp）を適用した。
• GGA+U法を用いて光学的誘電関数および吸収スペクトルを計算した。
• バンド分散および軌道寄与を含む電子構造解析を実施した。
• ルチルおよびルチル相の間で比較を行い、異方性および二色性を評価した。
• 実験的光学測定および他の理論的研究と照合して結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的GGAと比較して、GGA+U法はルチルおよびルチル相TiO2のバンドギャップ予測をどのように改善するか？
• RQ2 ルチルおよびルチル相TiO2の間で、光学的誘電応答にどのような差異が生じるか？
• RQ3 ルチルおよびルチル相TiO2の電子構造は、バンド分散および軌道特性の観点からどのように異なるか？
• RQ4 各TiO2多形における光学的異方性および二色性の程度はどの程度か？
• RQ5 GGA+U計算は、両相の実験的光学スペクトルをどの程度正確に再現するか？

主な発見

• Ti 3dおよびO 2p軌道にそれぞれUdおよびUpを適用したハッブルU補正の導入により、ルチルおよびルチル相TiO2の両方で実験的バンドギャップ値を正確に再現できた。
• GGA+U法を用いて計算された光学的誘電関数および吸収スペクトルは、実験データと強く一致した。
• ルチルおよびルチル相は顕著な異なる電子構造を示し、特にルチル相はより顕著なバンド分散および低い有効質量特性を示した。
• 両相の間で光学的異方性および二色性に顕著な差が認められ、特にルチル相はより強い異方的光学応答を示した。
• 他のab initio研究と整合性のある理論的結果が得られ、GGA+U法がTiO2系において信頼できる手法であることが確認された。
• 本研究は、混合相TiO2薄膜における光学的および電子的挙動を予測する検証済みの理論的モデルを提供する。