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

HERMAN HEFFNER; ALEJANDRO GONZÁLEZ FÁ; RICARDO FACCIO; IGNACIO LÓPEZ CORRAL

La Plata

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

Facultad de Ciencias Exactas - Universidad Nacional de La Plata

IntroducciónEl dióxido de titanio (TiO2) es un material semiconductor con numerosas aplicaciones en fotocatálisis y microelectrónica. Su valor de energía de banda prohibida (Eg) es considerable, entre 2,8 y 3,2 eV según el polimorfo, por lo que muchas aplicaciones quedan limitadas al uso de luz UV. En particular, el polimorfo B ha generado gran expectación por sus potenciales aplicaciones en supercapacitores, fotoelectrodos para celdas solares y también como ánodo para baterías de litio.El objetivo 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 del código VASP, y estudiar cómo influye la presencia de dicha impureza en el comportamiento electrónico del material. Para ello, en primer lugar se optimizó el valor del parámetro de Hubbard (U) en el material prístino, y a continuación se obtuvieron las geometrías preferenciales correspondientes al dopado con carbono en diferentes sitios sustitucionales. Finalmente se evaluaron las propiedades geométricas y electrónicas de los sistemas optimizados.ResultadosNuestros 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 un átomo de oxígeno (C@O) es energéticamente más favorable que la sustitución de un átomo de titanio (C@Ti), verificándose un mayor desarrollo de interacciones covalentes e iónicas, respectivamente. En ambos casos, el dopado posee una marcada influencia sobre las propiedades electrónicas del TiO2(B). En efecto, se registraron disminuciones en los valores de Eg para la mayor parte de los sistemas C@O, así como la introducción de estados de impureza, lo cual conduce a un notorio desplazamiento del máximo de absorción hacia la región IR del espectro. En el caso del modelo C@Ti se obtuvo una gran distorsión estructural alrededor del dopante, sin el desarrollo de estados de impureza y con una reducción de Eg de 0,3 eV.ConclusionesEl estudio realizado sugiere que el dopado con carbono de sistemas TiO2(B) conduce a una disminución del valor de Eg, tanto si la sustitución ocurre sobre átomos de titanio como de oxígeno. Este proceso podría constituir entonces una vía para mejorar notoriamente las propiedades de absorción de luz del material, de modo de obtener mayores eficiencias al aplicarse en dispositivos fotocatalíticos y electroquímicos.