氧空位在氧化钨中的存在对能带结构有什么影响?

氧空位在氧化钨中的存在对能带结构有什么影响?

氧空位在氧化钨中的存在对能带结构有着显著的影响,这些影响主要体现在以下几个方面:

一、禁带宽度的变化

禁带宽度变窄

由于氧空位的存在,氧化钨的禁带宽度会发生变化。通常,纯净的氧化钨(如WO3)的禁带宽度约为2.9eV。然而,氧空位的引入会使得禁带宽度变窄,实际存在的非化学计量性的WO3的禁带宽度可能降至2.4~2.8eV。这种禁带宽度的变化是由于氧空位在禁带中引入了新的缺陷能级,从而减少了能带宽度。

二、新的缺陷能级的形成

缺陷能级

氧空位在禁带中会形成新的缺陷能级,这些能级位于导带以下,但高于价带。这些缺陷能级的存在为电子提供了新的跃迁路径,使得电子可以从价带跃迁到缺陷能级,或者从缺陷能级跃迁到导带,从而增强了材料的光吸收和导电性能。

三、光吸收性能的增强

光吸收范围扩展

由于禁带宽度的变窄和新的缺陷能级的形成,氧化钨在可见光和近红外光区的光吸收性能得到显著增强。这使得含有氧空位的氧化钨在光催化、光电探测等领域具有更广泛的应用前景。

四、电子结构的改变

自由载流子密度的增加

氧空位的存在会增加氧化钨中的自由载流子密度。当氧空位含量较高时,WO3-x中高的自由载流子浓度可以产生局域表面等离子体共振(LSPR)效应,使缺陷氧化钨在可见或近红外区域具有显著增强的光吸收。这种非金属等离子体材料的LSPR不仅具有可调控性,而且对于外部的环境十分敏感,因此可以被应用于生物传感等领域。

五、导电性的提升

电导率提高

氧空位的引入使得在导带以下出现了新的能带,这大大提高了材料的电导率。导电性的提升使得氧化钨在电子器件、传感器等领域具有更好的应用性能。

氧空位在氧化钨中的存在对能带结构产生了多方面的影响,包括禁带宽度的变化、新的缺陷能级的形成、光吸收性能的增强、电子结构的改变以及导电性的提升等。这些影响使得含有氧空位的氧化钨在光催化、光电探测、生物传感和电子器件等领域具有广泛的应用潜力。

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