掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质研究

发布时间：2017-08-30 08:12

  本文关键词：掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质研究

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【摘要】：铌酸锂晶体是一种在诸多领域都具有重要技术应用的光折变材料,尤其在光学体全息存储方面表现出非常优越的性能,被认为是光存储介质的首选材料之一。长期以来,研究人员从实验上对其结构、性能及各种掺杂特性的研究表明,铌酸锂晶体类似于钛铁矿型结构,内部存在相当数量的本征缺陷结构,这使得晶体中能够引入多种杂质离子从而拓展了它在各个方面的实际应用。本文通过理论计算的手段,利用基于密度泛函理论的第一性原理,对所建立的各类掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质的进行研究,结果表明:1.掺Fe铌酸锂晶体禁带内出现的杂质能级由Fe3d轨道和O2p轨道贡献,禁带宽度为2.845eV,该杂质能级使得晶体在可见光区出现了光吸收。对于Mg、Fe共掺体系,Mg的浓度小于或等于阈值时禁带宽度分别为2.901eV和2.805eV。掺Fe铌酸锂晶体的吸收谱在539nm和477nm处分别出现一个吸收峰,其强度因Mg的浓度不同而发生变化。不同浓度的Mg对晶体内Fe~(2+)和Fe~(3+)的浓度以及占位产生了不同的影响。分析认为光电子的形成不应单独考虑Fe的轨道电子态和c_(Fe~(2+))/c_(Fe~(3+))的浓度比,而应同时考虑与Fe成键的O2p轨道电子态的影响。2.Cu、Fe单掺杂体系禁带内均产生了杂质能级,主要由Cu3d、Fe3d轨道及O2p轨道贡献。共掺体系禁带出现了双能级结构,深能级由Cu3d和O2p轨道贡献,浅能级由Fe3d和O2p轨道贡献。Cu、Fe单掺和共掺体系带隙依次缩小,在可见光区的光吸收明显增强。共掺杂体系在445nm和630nm左右分别表现出一个宽吸收峰,比单掺杂体系表现出更优越的光吸收特性。分析认为Fe占铌位比Fe占锂位的双掺杂铌酸锂晶体在双光存储应用中更有优势,并且c_(Fe~(2+))/c_(Fe~(3+))值的适当降低有助于这种优势的形成。3.Ce,Cu单掺杂体系禁带内均产生了杂质能级,主要由Ce4f、Cu3d轨道及O2p轨道贡献。对于Ce\Cu双掺体系,禁带内出现了深浅不一的双能级结构,其中,Ce提供浅能级,Cu提供深能级,杂质能级在禁带内相对价带顶的能隙分别为0.45eV和2.41eV。这种双能级结构为Ce\Cu双掺LiNbO_3晶体的全息存储应用提供了可能。
【关键词】：铌酸锂晶体 第一性原理 掺杂 电子结构 光学性质
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 LN晶体在全息存储方面的研究进展11-13
• 1.3 LN晶体的结构及性质13-16
• 1.3.1 LN晶体的基本结构13-14
• 1.3.2 LN晶体的掺杂特性14-16
• 1.4 课题主要研究内容16-17
• 第2章 计算理论简介17-25
• 2.1 第一性原理17
• 2.2 密度泛函理论17-23
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型18-19
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理19-21
• 2.2.3 Kohn-Sham方程21
• 2.2.4 交换关联泛函21-23
• 2.3 CASTEP简介23-25
• 第3章 铁镁掺杂LN晶体的电子结构和光学性质25-34
• 3.1 Fe、Mg掺杂LN晶体模型的建立及结构优化25-29
• 3.1.1 LN晶体模型的建立25-26
• 3.1.2 Fe、Mg掺杂LN晶体模型的建立26-28
• 3.1.3 计算方法和几何优化28-29
• 3.2 计算结果和讨论29-33
• 3.2.1 LN及Fe、Mg掺杂LN晶体电子结构29-32
• 3.2.2 LN及Fe、Mg掺杂LN晶体光学性质32-33
• 3.3 本章小结33-34
• 第4章 铜铁掺杂LN晶体的电子结构和光学性质34-42
• 4.1 Cu、Fe掺杂LN晶体模型的建立及结构优化34-37
• 4.1.1 Cu、Fe掺杂LN晶体模型的建立34-35
• 4.1.2 计算方法和几何优化35-37
• 4.2 计算结果和讨论37-41
• 4.2.1 Cu、Fe掺杂LN晶体电子结构37-39
• 4.2.2 Cu、Fe掺杂LN晶体光学性质39-41
• 4.3 本章小结41-42
• 第5章 铈铜掺杂LN晶体的电子结构42-46
• 5.1 Ce、Cu掺杂LN晶体模型的建立及结构优化42-44
• 5.1.1 Ce、Cu掺杂LN晶体模型的建立42-43
• 5.1.2 计算方法和几何优化43-44
• 5.2 计算结果和讨论44-45
• 5.3 本章小结45-46
• 第6章 结论与展望46-47
• 6.1 本文结论46
• 6.2 本文存在的不足46
• 6.3 未来工作的展望46-47
• 参考文献47-53
• 致谢53-54
• 硕士期间发表的学术论文54

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