摻雜鈮酸鋰晶體電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、鈮酸鋰晶體是一種應(yīng)用廣泛的多功能晶體，它具有良好的壓電、非線(xiàn)性光學(xué)、光電以及光折變性能。該晶體可以實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)，目前這方面的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛研究。 本文利用第一性原理計(jì)算方法研究理想鈮酸鋰晶體，單摻雜鈮酸鋰晶體以及雙摻雜鈮酸鋰晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。所有計(jì)算采用廣義梯度近似下的平面波超軟贗勢(shì)方法，通過(guò)計(jì)算晶胞總能量并進(jìn)行幾何優(yōu)化，得到基態(tài)平衡模型，并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)晶體能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、分態(tài)密度、電子布居、差分電子密度、介電

2、函數(shù)、能量損失函數(shù)、反射譜以及吸收譜進(jìn)行計(jì)算，并分析計(jì)算結(jié)果，揭示摻雜離子對(duì)于晶體電子結(jié)構(gòu)的改變，以及對(duì)于光學(xué)性質(zhì)的影響。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下： (1)建立了理想鈮酸鋰晶體的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算了電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。分析結(jié)果表明，理想LiNbO3晶體是間接帶隙半導(dǎo)體，價(jià)帶和導(dǎo)帶主要由O原子的2p軌道和Nb原子的4d軌道貢獻(xiàn)，兩者之間形成共價(jià)鍵。O原子為電子受主，Nb原子為電子施主。理想LiNbO3晶體具有明顯的各向異

3、性，并對(duì)可見(jiàn)光有良好的透射率。介電函數(shù)、能量損失函數(shù)、反射譜和吸收譜的各項(xiàng)峰值存在明顯聯(lián)系，都與電子的帶間躍遷有關(guān)。 (2)通過(guò)對(duì)Mn:LiNbO3晶體、Fe:LiNbO3晶體和Ru:LiNbO3晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算和分析。得到如下結(jié)論：摻雜產(chǎn)生了雜質(zhì)能級(jí)，主要由Mn、Fe和Ru的d軌道貢獻(xiàn)。摻雜降低了電子躍遷所需能量，同時(shí)也降低了各原子的電子軌道能量。晶體中最高占據(jù)軌道從O的2p變?yōu)镸n、Fe和Ru的d軌道。摻雜離子

4、在晶體中同時(shí)充當(dāng)電子的施主與受主。Fe的摻雜使Fe:LiNbO3晶體的能量損失函數(shù)有較大的增加，會(huì)對(duì)光存儲(chǔ)的效率有一定影響。Mn、Fe和Ru的摻雜都使晶體的光學(xué)性質(zhì)在可見(jiàn)光低能范圍發(fā)生變化，吸收譜在可見(jiàn)光區(qū)域產(chǎn)生吸收峰，有利于晶體全息存儲(chǔ)的應(yīng)用。 (3)計(jì)算了Mn:Fe:LiNbO3晶體、Mn:Ru:LiNbO3晶體和Fe:Ru:LiNbO3晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。分析結(jié)果表明，雙摻雜引入了位置不同的兩個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，Mn:Fe: