plate-titanium
type.
The
three
crystal
types
have
different
structures
and
therefore
different
properties.
CASTEP
in
this
article
will
use
the
Materials
Studio
program
of
titanium
dioxide,
to
simulate
the
three
kinds
of
crystal
and
measuring
different
crystal
type
system
in
the
band
structure
and
density
of
states.
Keywords:
materials
studio
；
titanium
dioxide
；
band
structure
；
density
of
states
随着材料科学的不断发展与进步，研究者们对材料的探索程
度更加深入，
但传统的研究方法难以高效地对材料进行分析研究，
而且传统的研究方法误差更大，难以及时的向研究者反馈实验数
据。而通过计算机辅助研究却能很大程度地避免这些不足，因此
计算机模拟材料结构并进行计算分析的方法得到越来越广泛地采
纳。
Materials
Studio(MS)
就是一款运行于计算机上的分子模拟软
件，其使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模
型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进
行深入的研究。目前，
MS
已经应用到很多领域，应用最普遍的
就是在教学中的应用
[1-3]
，比如利用
MS
的可视化界面，将材料建
模后以物理图像的方式抽象化地对学生进行教学，可以使学生理
解得更为透彻。
1
研究内容和方法
本研究以二氧化钛为例，通过
MS
对二氧化钛分子结构进行
建模，对其能带结构和态密度进行计算分析，以此来研究二氧化
钛的导电性。在自然界中，二氧化钛普遍存在的三种形式：金红
石型；锐钛矿型和板钛矿型。锐钛矿型和金红石型的晶体结构均
由相互连接的二氧化钛八面体组成，差别是两者的畸变程度和连
接方式不同，锐钛矿和金红石型都属于四方晶系，板钛矿属于斜
方晶系。三种结构具有不同的导电性，本研究测出各自的性质之
后会将其相互比较，得出三种结构的不同之处。
本研究运用
MS
中的
CASTEP
程序进行分析计算，
CASTEP
采用基于密度泛函理论平面波赝势法，是目前最先进的量子力学
计算程序。
2
结果与讨论
2.1
金红石型二氧化钛
2.1.1
金红石型二氧化钛能带结构图
如图
1(A)
为金红石型二氧化钛的能带结构图。
图
1
金红石型二氧化钛
(A)
能带结构图；
(B)Ti
元素分波态密度图；
(C)O
元素分波态密度图；
(D)
总态密度图
Fig.1
Rutile
titanium
dioxide
(A)
Band
structure
diagram;
(B)
Ti
element
state
density
diagram;
(C)
O
element
state
density
diagram;
(D)
Total
state
density
diagram
由能带结构图可以直接看出，二氧化钛的带隙为
1.840
eV
，
苏锐
[4]
在研究体心四方二氧化钛时，
通过
LDA
计算得到的带隙值
为
1.850
eV
，两者相差不大，从能带图中可以看出价带最高点和
导带最低点的位置都是在
G
点因此推断二氧化钛属于直接带隙半
导体，因此，当电子从价带跃迁到导带时只吸收能量，并且也只
存在能量的变化。
2.1.2
金红石型二氧化钛态密度图
金红石型二氧化钛
Ti
和
O
分波态密度图如图
1(B)
和
(C)
，总
态密度图如图
1(D)
。
根据以上三图，总态密度图与能带结构图是一一对应的，
O
和
Ti
原子的电子主要集中在费米能级两侧
(
态密度值为
0
处即为
费米能级
)
，
电子非局域化性较强，
能量区间为
-18~-15
eV
，
-6~0
eV
[
收稿日期
]
2019-08-28
[
基金项目
]
2019
年四川省大学生创新创业训练计划项目
(S201914389074
，
GdNbO
4
基稀土发光材料的第一性原理研究
)
资助
[
作者简介
]
贾涛(
1995-
)，男，山东临沂人，本科生，主要研究方向为材料模拟与计算。