摘要
本文基于黑色陶瓷层显色原理，利用第一性原理研究了Fe、Co、Ni和Cu替位掺杂MgO后的禁带宽度及态密度分布。通过Fe掺杂微弧氧化黑色陶瓷层验证和探讨了镁合金微弧氧化黑色陶瓷层掺杂元素的选择依据。 研究结果如下： 经第一性原理计算，Fe、Co、Ni及Cu元素掺杂均可降低MgO的禁带宽度，且带宽随掺杂浓度增大而减小，理论上符合黑色陶瓷层掺杂的要求，其中降低作用由大到小依次为Fegt;Cogt;Nigt;Cu。掺杂时，除Fe掺杂价带顶不变外，Co、Ni和Cu均使MgO价带顶向高能移动，而所有掺杂MgO导带底向低能移动；由态密度分布得出，这四种元素掺杂引入了3d和4s能级，3d态和4s态分别影响MgO价带和导带能级的组成和分布。 Fe掺杂黑色陶瓷层制备时，Fe盐浓度增大，陶瓷层颜色越深，但浓度过大，陶瓷层易烧蚀。当Fe/Mg为3.5at.%时，陶瓷层总色值为24.71，优于Cu掺杂陶瓷层，与计算结果吻合：该陶瓷层在可见光区域吸收率高达96%;结合XRD及XPS可知，Fe掺杂Mg0陶瓷层形成了Mg1-xFexO，相同厚度Fe和Cu掺杂黑色陶瓷层与MgO白色陶瓷层的腐蚀电位相近，腐蚀电流密度和电化学阻抗值均为10-9A·cm-2和105Ω·cm2，说明掺杂元素未改变MgO陶瓷层的物相；Fe掺杂黑色陶瓷层价带顶由0.61eV移动至0.94eV，导带底由5.58eV移动至2.64eV，禁带宽度由4.97eV缩小至1.70eV，使得陶瓷层光吸收临界波长由249.5nm扩展至729.4nm，证明掺杂元素降低MgO陶瓷层禁带宽度至可见光的波长范围内，即为MgO黑色陶瓷层着色元素选择的理论依据。掺杂元素实际的掺杂效果取决于微弧氧化工艺中的条件和参数。
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