A DFT+U description of oxygen vacancies at the TiO2 rutile (110) surface

金红石 电荷密度 电子结构 空位缺陷 材料科学 电子 结晶学 密度泛函理论 电荷(物理) 原子物理学 凝聚态物理 化学 计算化学 物理 量子力学 有机化学
作者
Benjamin J. Morgan,Graeme W. Watson
出处
期刊:Surface Science [Elsevier]
卷期号:601 (21): 5034-5041 被引量:514
标识
DOI:10.1016/j.susc.2007.08.025
摘要

Experimental observations indicate that removing bridging oxygen atoms from the TiO2 rutile (1 1 0) surface produces a localised state approximately 0.7 eV below the conduction band. The corresponding excess electron density is thought to localise on the pair of Ti atoms neighbouring the vacancy; formally giving two Ti3+ sites. We consider the electronic structure and geometry of the oxygen deficient TiO2 rutile (1 1 0) surface using both gradient-corrected density functional theory (GGA DFT) and DFT corrected for on-site Coulomb interactions (GGA + U) to allow a direct comparison of the two methods. We show that GGA fails to predict the experimentally observed electronic structure, in agreement with previous uncorrected DFT calculations on this system. Introducing the +U term encourages localisation of the excess electronic charge, with the qualitative distribution depending on the value of U. For low values of U (⩽4.0 eV) the charge localises in the sub-surface layers occupied in the GGA solution at arbitrary Ti sites, whereas higher values of U (⩾4.2 eV) predict strong localisation with the excess electronic charge mainly on the two Ti atoms neighbouring the vacancy. The precise charge distribution for these larger U values is found to differ from that predicted by previous hybrid-DFT calculations.
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