空位缺陷、相变及晶向对冲击压缩下蓝宝石光学性质的影响

发布时间：2020-05-28 19:19

【摘要】：在冲击波动态高压领域中,用辐射法测量非透明材料的冲击温度以及采用任意反射面速度干涉仪(velocity interferometer system for any reflector,VISAR)、任意反射面位移干涉仪(Displacement Interferometer System for Any Reflector,DISAR)等激光干涉测速技术测量受冲击样品中的粒子速度都需要用到透明的光学窗口。为了正确解读上述实验数据,需要获得不同冲击压力下窗口材料的透明性和折射率信息。蓝宝石晶体(Al_2O_3)由于具有较高的熔点、强度和冲击阻抗以及良好的光学透明性,常被作为窗口材料广泛应用于动高压实验中。因此,探究冲击压缩下蓝宝石透明性变化的物理机理及其折射率的变化规律有非常重要的科学意义。近年来,人们已从理论和实验上对冲击压缩下Al_2O_3的透明性和折射率性质做了较多研究,但对其冲击透明性的晶向效应特征研究还较少。另外,在加窗界面速度测量中,由于不同晶向蓝宝石的冲击动态响应特性存在差异,而实验中也可能采用不同晶向的晶体样品,因此探究蓝宝石冲击折射率的晶向效应也非常重要。与此同时,蓝宝石其它冲击光学性质(例如,能量损失谱等)的晶向效应也需要研究,其结果可能对未来的实验探究有重要的参考作用。根据上述分析,本课题的主要研究内容及结论如下:(1)基于第一性原理方法,在180 GPa压力范围内分别计算了Al_2O_3理想晶体及缺陷晶体的吸收谱和折射率性质。计算结果表明:1)若仅考虑压力和温度两个因素,蓝宝石的光吸收谱数据不能解释冲击消光实验结果,而冲击诱导产生的氧离子空位点缺陷或许才是引起上述实验结果的主要原因之一;2)532 nm波长处Al_2O_3晶体折射率数据指明,两个结构相变将使得其折射率显著升高。在Corundum与Rh_2O_3两个结构相区,蓝宝石的折射率随压力增加而减小。在CalrO_3结构相区,压力低于172 GPa时,蓝宝石折射率随着压力增加降低的程度反而越来越小;压力超过172 GPa时,其折射率随着压力增加而慢慢升高。另外,空位点缺陷因素对折射率随压力的变化规律有较大影响。(2)在255 GPa压力范围内,采用第一性原理方法分别计算了a向、c向和r向蓝宝石理想晶体和含氧离子空位缺陷晶体的光吸收谱性质。结果表明:在Corundum相区,蓝宝石吸收性的晶向效应比较微弱;进入Rh_2O_3相区,三个晶向的吸收性均有一定差异;在CalrO_3相区,c与r向的吸收性基本一致,a与c、r向的吸收性有明显差异,但氧空位的存在使得c与r向的吸收性出现了一些差别,且a与c、r向的吸收性差异增大。由此推测:实验在约26 GPa处观测到的蓝宝石透明性晶向效应的变化可能主要是由散射消光导致的;而在约255 GPa处观测到的c和r向蓝宝石透明性差别消失的现象应该与其第二个结构相变所引起的吸收性晶向效应的变化有关,因而发生该现象的冲击压力点应在163 GPa左右。(3)在255 GPa压力范围内,采用第一性原理计算方法研究了a向、c向和r向蓝宝石理想晶体以及含氧离子空位缺陷晶体的折射率和能量损失谱性质。1550nm波长处理想晶体的折射率数据表明,在Corundum、Rh_2O_3以及CalrO_3相区,Al_2O_3折射率分别表现出强、弱以及强的晶向效应。波长在250 nm范围内理想晶体的能量损失谱结果指明,在Corundum和Rh_2O_3相区,Al_2O_3能量损失谱的晶向效应不明显。在CalrO_3相区,主峰附近的波段范围内,蓝宝石的能量损失谱有一定的晶向效应,c和r向的主峰强度基本相同,但a向主峰强度明显高于c和r向主峰强度。缺陷晶体数据表明:缺陷的存在使得131.2 GPa压力处Rh_2O_3结构相蓝宝石折射率的晶向效应增强,其中a向折射率大于c和r向折射率,而在255 GPa压力处CalrO_3结构相的折射率晶向效应几乎丧失,而缺陷因素对蓝宝石能量损失谱晶向效应的影响并不明显。
【图文】：

模型图,原胞,模型,相关参数

(a)Corundum结构原胞模型

模型图,原胞,模型,相关参数

(c)CalrO3结构原胞模型
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469

【参考文献】