| 中科院半導體所「剪裁」二氧化鈦能帶結構 |
| 可增強二氧化鈦的光催化效率 |
本報訊 20世紀70年代開始，科研人員對半導體能帶結構按照需要進行「人工剪裁」，製備出區別於本徵半導體的嶄新的人工材料，由此設計出具有新結構和新原理的光電子器件。最近，由中科院半導體研究所李京波研究小組與美國的合作者通過「剪裁」二氧化鈦的能帶結構，設計了一種增強二氧化鈦的光催化效率的有效方法。該成果的研究論文3月17日成為《自然》雜誌網站中的「亮點論文」，受到廣泛關注。
用鉬碳共摻雜方法進行「人工剪裁」二氧化鈦能帶的優點包括：在二氧化鈦摻雜氮或者過渡金屬，能夠減小二氧化鈦的光學帶隙，但是單獨摻雜會使光激發的電荷局域化並阻礙電化學反應的繼續進行。對於鉬碳共摻的方法，理論上使用超原胞，同時有一個鈦和一個氧原子被取代形成彼此鈍化的鉬碳對。科研人員嘗試了很多原子對，只有鉬碳能夠在減小二氧化鈦帶隙的同時還保證了二氧化鈦仍具有高的催化活性，由此發現，這種彼此鈍化的原子對消除了單獨摻雜時對載流子的局域效應，從而允許電荷轉移參與水分解反應。
科研人員用鉬碳共摻雜方法進行設計，期望在這種彼此鈍化的共摻雜體系中，載流子壽命會比單獨摻雜時有所增長。這種設計原理也適用於很多半導體材料和催化劑材料，隨著第一性原理理論的發展和計算機性能的提高，計算機輔助的材料設計可能實現，並已成為加速科學發現的一個非常重要的工具。
二氧化鈦是用來生產燃料電池中所需氫氣的一種常用的光催化劑，是一種光活性材料。
由於二氧化鈦的帶隙為3.2eV，只能吸收太陽光譜中的紫外部分，而這部分只佔太陽光能量的5%左右，所以不能充分利用太陽能。半導體所科研人員提出的新摻雜方法，是利用第一性原理計算的理論分析，發現特殊的共摻雜施受主對，比如「鉬碳共摻」形成的新的雜質帶，能夠充分吸收太陽的可見光部分，從而提高二氧化鈦分解水的催化效率。
《科學時報》 (2009-3-31 A1 要聞)