Evaluación de propiedades electrónicas de TiO2(B) dopado con carbono mediante DFT+U

HERMAN HEFFNER; RICARDO FACCIO; IGNACIO LÓPEZ CORRAL

La Plata

Congreso; XXII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2021

CONICET-UNLP

Introducción: El dióxido de titanio (TiO2) es un material semiconductor connumerosas aplicaciones en fotocatálisis y microelectrónica. Su valor de energíade banda prohibida (Eg) es considerable, entre 2,8 y 3,2 eV según elpolimorfo, por lo que muchas aplicaciones quedan limitadas al uso de luz UV. Enparticular, el polimorfo B ha generado gran expectación por sus potenciales aplicacionesen supercapacitores, fotoelectrodos para celdas solares y también como ánodopara baterías de litio.Elobjetivo del presente trabajo es modelar la incorporación de carbono en TiO2(B)a nivel de la teoría del funcional de la densidad (DFT), por aplicación delcódigo VASP, y estudiar cómo influye la presencia de dicha impureza en el comportamientoelectrónico del material. Para ello, en primer lugar se optimizó el valor delparámetro de Hubbard (U) en el material prístino, y a continuación se obtuvieronlas geometrías preferenciales correspondientes al dopado con carbono endiferentes sitios sustitucionales. Finalmente se evaluaron las propiedades geométricasy electrónicas de los sistemas optimizados.Resultados: Nuestros cálculos sugieren que un valor de U = 4 eV permite describir adecuadamente las fases de TiO2(B)puras y dopadas. Los resultados obtenidos indican que la sustitución de unátomo de oxígeno (C@O) es energéticamente más favorable que la sustitución deun átomo de titanio (C@Ti), verificándose un mayor desarrollo de interacciones covalentese iónicas, respectivamente. En ambos casos, el dopado posee una marcadainfluencia sobre las propiedades electrónicas del TiO2(B). Enefecto, se registraron disminuciones en los valores de Eg para lamayor parte de los sistemas C@O, así como la introducción de estados deimpureza, lo cual conduce a un notorio desplazamiento del máximo de absorciónhacia la región IR del espectro. En el caso del modelo C@Ti se obtuvo una grandistorsión estructural alrededor del dopante, sin el desarrollo de estados deimpureza y con una reducción de Eg de 0,3 eV.Conclusiones: El estudio realizado sugiere que el dopado con carbono de sistemas TiO2(B)conduce a una disminución del valor de Eg, tanto si la sustituciónocurre sobre átomos de titanio como de oxígeno. Este proceso podría constituirentonces una vía para mejorar notoriamente las propiedades de absorción de luz delmaterial, de modo de obtener mayores eficiencias al aplicarse en dispositivosfotocatalíticos y electroquímicos.