掺杂钽酸锂晶体的电子结构和光学性质研究
发布时间：2021-06-26 21:18
钽酸锂晶体是一种集电光、声光、压电、非线性、光折变以及激光活性于一体的多功能材料,有着十分广泛的应用。在激光技术方面,用于调Q开光、光频转换和红外探测器等;在光纤通信方面,则可制作电光调制器;尤其在光学体全息存储方面,由于几乎完美的非易失性和长的暗衰减时间,表现出优越的存储性能。因其与铌酸锂晶体同构和具有相似的存储优势,该晶体已经成为最受欢迎的全息存储光折变材料之一。钽酸锂晶体内部存在本征缺陷结构,使得晶体能够掺入多种杂质离子,进而改善钽酸锂晶体的光折变和抗光损伤性能,令其存储性能更为理想,拓展了它在各个方面的实际应用。全息存储研究发现掺入不同组合杂质离子的钽酸锂晶体会表现出不同存储特性。目前,国内外对钽酸锂的研究大都是实验研究,而对掺杂钽酸锂晶体的电子结构和光学性质的理论研究鲜有报道。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了纯钽酸锂晶体以及各类单掺以及双掺杂钽酸锂晶体的电子结构和光学性质,结果表明:光折变离子Fe3+掺杂钽酸锂晶体禁带内出现的杂质能级主要由Fe的3d态轨道贡献,禁带宽度为3.05 eV。掺入抗光折变离子Mg2+后,在带隙中没有产生新的杂质能级,掺Mg浓度低于或超过...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双光子固定示意图
西南大学硕士学位论文第3章铁镁共掺钽酸锂晶体的电子结构和光学性质19量的研究，提出了几种典型的缺陷模型：锂空位、铌空位以及氧空位等，这些缺陷模型同样也适用于LT晶体。研究证明锂空位模型在能量上是最为合理的，而且与晶体本身的结构更为接近，因此该模型被人们普遍采用，是作为建立掺杂晶体的最佳电荷补偿形式[60]。本文研究LT晶体本征缺陷采用的是被普遍认可的锂空位模型。研究表明，与同成分铌酸锂相比较，钽酸锂晶体的本征缺陷更少[60]。同成分铌酸锂晶体的镁掺杂阈值浓度为6mol％，而同成分掺镁钽酸锂晶体比它的阈值浓度略低[60]。对于掺镁浓度超过阈值的Fe、Mg双掺钽酸锂晶体，Mg2+占据Li+位，Fe3+只占据Ta5+位[60]。在实际应用中，掺入LT晶体的Fe3+的浓度至少比Fe2+高一个数量级，其中Fe离子的含量一般为0.10mol%左右，在这种情况下，铁离子通常代替正常晶格中的Li+[63]，电荷补偿由锂空位完成。对于Fe、Mg共掺钽酸锂晶体，在掺镁浓度低于阈值浓度时，铁离子和镁离子均取代晶格中的Li+位，且产生锂空位来保持电荷平衡；由于Mg2+的电负性比Fe3+的更接近Li+的电负性，在掺镁浓度接近阈值浓度时，Mg将优先占锂位，Fe占钽位，电荷由Fe、Mg离子相互补偿完成。因此本文在优化后的理想模型基础上建立以下模型：掺铁钽酸锂Fe:LT，其电荷补偿形式为2LiLiFe2V；镁含量低于阈值的铁镁共掺钽酸锂，记为Fe:Mg:LT，它的电荷补偿形式为2LiLiLiFeMg3V；镁含量略大于阈值的铁镁共掺钽酸锂，记为Fe:Mg(E):LT，它的电荷补偿形式为2LiTa2MgFe。超胞结构模型如图3.1所示。图3.1晶体结构模型(a)LT;(b)Fe:Mg:LT3.1.2计算方法本章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法进行计算，由CASTEP软件包LiTaOFeMg(a)(b)
西南大学硕士学位论文第3章铁镁共掺钽酸锂晶体的电子结构和光学性质22近的能带并没有贡献；各体系中，导带主要由Ta5d贡献，而价带主要由O2p贡献，O2p和Ta5d轨道在价带有很多的交叠，形成较强的共价键；对于掺入Fe离子的体系，在禁带中呈现的杂质能级主要由Fe3d轨道贡献，并与O的2p轨道有一定的相互作用，这说明在晶体内Fe和O之间形成了一定的成键。从图3.4(a)可以看出，Fe:Mg(E):LT晶体整体下移了2eV，这与能带结构图中导带与价带的移动是一致的。图3.4晶体态密度图(a)LT及不同掺Mg浓度的Fe:Mg:LT晶体态密度图;(b)Fe:Mg:LT晶体分态密度图图3.5为Fe单掺以及Fe、Mg共掺体系禁带附近分态密度，相比于纯LT，图中各掺杂体系有Fe杂质离子与Ta5d或O2p轨道形成共价键，使得晶体内能量下降，致使价带和导带下移，且带隙比纯LT晶体小（见图3.3）。图中显示了由于晶体场的作用，在氧八面体内Fe杂质离子的3d轨道发生了分裂，形成能量较低以及能量较高
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超薄钽酸锂晶体材料高响应太赫兹探测器（英文）[J]. 梁志清,刘子骥,蒋亚东,郑兴,王涛,于贺. 红外与毫米波学报. 2016(05)
[2]Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究[J]. 赵佰强,张耘,邱晓燕,王学维. 物理学报. 2015(12)
[3]过渡金属（Fe,Co,Ni,Zn）掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质[J]. 张小超,赵丽军,樊彩梅,梁镇海,韩培德. 物理学报. 2012(07)
[4]LaB6电子结构及光学性质的第一性原理计算[J]. 苏玉长,肖立华,伏云昌,张鹏飞,彭平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[5]氮铁共掺锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究[J]. 张学军,高攀,柳清菊. 物理学报. 2010(07)
[6]超高密度光学体全息存储及快速识别技术[J]. 孙秀冬. 红外与激光工程. 2008(S3)
[7]固态氩弹性性质的量子力学从头计算[J]. 孟川民,姬广富,杨向东. 原子与分子物理学报. 2005(02)
[8]密度泛函理论及其数值方法新进展[J]. 李震宇,贺伟,杨金龙. 化学进展. 2005(02)
[9]SAWF用钽酸锂晶体表面微观形态的表征[J]. 荣丽梅,包生祥,李松霞,王志红,常嗣和. 电子显微学报. 2003(06)
[10]掺镁铌酸锂晶体抗光折变微观机理研究[J]. 孔勇发,李兵,陈云琳,黄自恒,陈绍林,张玲,刘士国,许京军,阎文博,刘宏德,王岩,谢翔,张万林,张光寅. 红外与毫米波学报. 2003(01)
硕士论文
[1]掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质研究[D]. 赵佰强.西南大学 2016
本文编号：3252100
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双光子固定示意图
西南大学硕士学位论文第3章铁镁共掺钽酸锂晶体的电子结构和光学性质19量的研究，提出了几种典型的缺陷模型：锂空位、铌空位以及氧空位等，这些缺陷模型同样也适用于LT晶体。研究证明锂空位模型在能量上是最为合理的，而且与晶体本身的结构更为接近，因此该模型被人们普遍采用，是作为建立掺杂晶体的最佳电荷补偿形式[60]。本文研究LT晶体本征缺陷采用的是被普遍认可的锂空位模型。研究表明，与同成分铌酸锂相比较，钽酸锂晶体的本征缺陷更少[60]。同成分铌酸锂晶体的镁掺杂阈值浓度为6mol％，而同成分掺镁钽酸锂晶体比它的阈值浓度略低[60]。对于掺镁浓度超过阈值的Fe、Mg双掺钽酸锂晶体，Mg2+占据Li+位，Fe3+只占据Ta5+位[60]。在实际应用中，掺入LT晶体的Fe3+的浓度至少比Fe2+高一个数量级，其中Fe离子的含量一般为0.10mol%左右，在这种情况下，铁离子通常代替正常晶格中的Li+[63]，电荷补偿由锂空位完成。对于Fe、Mg共掺钽酸锂晶体，在掺镁浓度低于阈值浓度时，铁离子和镁离子均取代晶格中的Li+位，且产生锂空位来保持电荷平衡；由于Mg2+的电负性比Fe3+的更接近Li+的电负性，在掺镁浓度接近阈值浓度时，Mg将优先占锂位，Fe占钽位，电荷由Fe、Mg离子相互补偿完成。因此本文在优化后的理想模型基础上建立以下模型：掺铁钽酸锂Fe:LT，其电荷补偿形式为2LiLiFe2V；镁含量低于阈值的铁镁共掺钽酸锂，记为Fe:Mg:LT，它的电荷补偿形式为2LiLiLiFeMg3V；镁含量略大于阈值的铁镁共掺钽酸锂，记为Fe:Mg(E):LT，它的电荷补偿形式为2LiTa2MgFe。超胞结构模型如图3.1所示。图3.1晶体结构模型(a)LT;(b)Fe:Mg:LT3.1.2计算方法本章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法进行计算，由CASTEP软件包LiTaOFeMg(a)(b)
西南大学硕士学位论文第3章铁镁共掺钽酸锂晶体的电子结构和光学性质22近的能带并没有贡献；各体系中，导带主要由Ta5d贡献，而价带主要由O2p贡献，O2p和Ta5d轨道在价带有很多的交叠，形成较强的共价键；对于掺入Fe离子的体系，在禁带中呈现的杂质能级主要由Fe3d轨道贡献，并与O的2p轨道有一定的相互作用，这说明在晶体内Fe和O之间形成了一定的成键。从图3.4(a)可以看出，Fe:Mg(E):LT晶体整体下移了2eV，这与能带结构图中导带与价带的移动是一致的。图3.4晶体态密度图(a)LT及不同掺Mg浓度的Fe:Mg:LT晶体态密度图;(b)Fe:Mg:LT晶体分态密度图图3.5为Fe单掺以及Fe、Mg共掺体系禁带附近分态密度，相比于纯LT，图中各掺杂体系有Fe杂质离子与Ta5d或O2p轨道形成共价键，使得晶体内能量下降，致使价带和导带下移，且带隙比纯LT晶体小（见图3.3）。图中显示了由于晶体场的作用，在氧八面体内Fe杂质离子的3d轨道发生了分裂，形成能量较低以及能量较高
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超薄钽酸锂晶体材料高响应太赫兹探测器（英文）[J]. 梁志清,刘子骥,蒋亚东,郑兴,王涛,于贺. 红外与毫米波学报. 2016(05)
[2]Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究[J]. 赵佰强,张耘,邱晓燕,王学维. 物理学报. 2015(12)
[3]过渡金属（Fe,Co,Ni,Zn）掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质[J]. 张小超,赵丽军,樊彩梅,梁镇海,韩培德. 物理学报. 2012(07)
[4]LaB6电子结构及光学性质的第一性原理计算[J]. 苏玉长,肖立华,伏云昌,张鹏飞,彭平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[5]氮铁共掺锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究[J]. 张学军,高攀,柳清菊. 物理学报. 2010(07)
[6]超高密度光学体全息存储及快速识别技术[J]. 孙秀冬. 红外与激光工程. 2008(S3)
[7]固态氩弹性性质的量子力学从头计算[J]. 孟川民,姬广富,杨向东. 原子与分子物理学报. 2005(02)
[8]密度泛函理论及其数值方法新进展[J]. 李震宇,贺伟,杨金龙. 化学进展. 2005(02)
[9]SAWF用钽酸锂晶体表面微观形态的表征[J]. 荣丽梅,包生祥,李松霞,王志红,常嗣和. 电子显微学报. 2003(06)
[10]掺镁铌酸锂晶体抗光折变微观机理研究[J]. 孔勇发,李兵,陈云琳,黄自恒,陈绍林,张玲,刘士国,许京军,阎文博,刘宏德,王岩,谢翔,张万林,张光寅. 红外与毫米波学报. 2003(01)
硕士论文
[1]掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质研究[D]. 赵佰强.西南大学 2016
本文编号：3252100
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