過渡金屬摻雜激光晶體的能隙調(diào)制與光性質(zhì)研究.pdf

1、激光晶體是晶體激光器的工作物質(zhì)，它是由摻雜于固體基質(zhì)中的激活離子（一般是金屬離子）和固體激光基質(zhì)所組成。工作物質(zhì)的光譜性能主要由激活離子能級的結(jié)構(gòu)所決定，而它的物理和化學(xué)性能和固體基質(zhì)材料有關(guān)。盡管密度泛函理論還很難準(zhǔn)確計(jì)算稀土金屬離子、錒系離子里―巡游‖的f電子，但是目前理論計(jì)算的發(fā)展已經(jīng)使得我們可以重點(diǎn)關(guān)注過渡族金屬離子。過渡金屬（transition metal（TM））中的3d層電子由于沒有外層電子的屏蔽，在基質(zhì)晶體中直接受晶格

2、場（lattice field）的作用，所以它的能級分布等特性和自由離子的情況有顯著不同。本文采用第一性原理計(jì)算方法，以激光基質(zhì)晶體MgF2，Al2O3，ZnS和金剛石納米線等為研究對象，探討了在摻雜等調(diào)控手段下固體激光晶體系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、形成能、電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。主要內(nèi)容如下：
　　首先，基于密度泛函理論的第一性原理，計(jì)算了Co2+摻雜MgF2晶體的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，Co2+摻雜導(dǎo)致MgF2晶體結(jié)構(gòu)畸變，

3、可能發(fā)生一種類四方和斜方型結(jié)構(gòu)相變。由于Co2+原子的加入，體系的禁帶寬度減小，可觀察到半導(dǎo)體-金屬性轉(zhuǎn)變。計(jì)算也表明，Co2+摻雜對靜態(tài)介電常數(shù)和光吸收系數(shù)有重要調(diào)制作用。
　　其次，基于第一性原理方法計(jì)算了 Ti3+摻雜α-Al2O3體系(Ti3+:α-Al2O3)的幾何和電子結(jié)構(gòu)。由于Ti3+的摻入，局部的鍵長和鍵角發(fā)生畸變，可能導(dǎo)致一種三方-三斜型的結(jié)構(gòu)相變。隨著Ti3+摻雜的增加，在Ti3+:α-Al2O3體系中可觀察到

4、絕緣體-半金屬的轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)橘M(fèi)米面上存在完全自旋極化態(tài)。進(jìn)一步計(jì)算了介電函數(shù)和吸收邊，發(fā)現(xiàn)與純Al2O3其相比摻雜后吸收邊明顯降低，這和實(shí)驗(yàn)有很好的相符。同時我們研究了Mg2+、Ti3+共摻Al2O3晶體（（Mg2+，Ti3+）:Al2O3）的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、Milliken電荷分布和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，Mg2+、Ti3+共摻導(dǎo)致(Mg2+,Ti3+):Al2O3晶體的晶格常數(shù)相應(yīng)增大，體系的禁帶寬度相應(yīng)減小。特別的是，它表明

5、Mg2+、Ti3+共摻對介電函數(shù)虛部和光吸收系數(shù)有顯著調(diào)制作用，所得結(jié)果與最近實(shí)驗(yàn)測量很好地相符。相關(guān)工作揭示了Mg2+、Ti3+共摻Al2O3體系在光學(xué)元器件方面的潛在應(yīng)用。
　　再次，基于密度泛函理論的第一性原理方法，系統(tǒng)的研究了過渡金屬(TM=Cr2+, Mn2+, Fe2+, Co2+和 Ni2+)摻雜ZnS體系（TM:ZnS）的形成能、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，TM摻雜后六角和立方結(jié)構(gòu)的ZnS具有相同的穩(wěn)定性，所以它

6、們可以共存于TM摻雜ZnS體系里。特別的，TM=Cr2+, Ni2+和Fe2+摻雜六角ZnS體系后，獲得了一個半滿的中間帶（IB），而TM=Mn2+和 Co2+時卻沒有。由于費(fèi)米能級處存在完全的自旋極化中間帶，所以在紅外、可見光和紫外區(qū)域得到了額外的吸收譜。
　　最后，使用Heyd-Scuseria-Ernzerhof雜化泛函交換關(guān)聯(lián)勢和自旋極化計(jì)算，我們研究了氮和空位（NV）摻雜氫化的金剛石納米線的電子結(jié)構(gòu)和光性質(zhì)。結(jié)果表明晶格

7、常數(shù)和帶隙隨著納米線截面積的增加而減小。由于NV的摻入，強(qiáng)的局域缺陷態(tài)導(dǎo)致自發(fā)的自旋極化和局域磁矩的形成，這主要是因?yàn)镃2p軌道的洪特能（Hund energy）與TM的3d軌道接近從而產(chǎn)生強(qiáng)的自旋極化。摻雜體系的自旋極化態(tài)在室溫以上穩(wěn)定存在，這和實(shí)驗(yàn)的觀測是一致的。此外，我們還計(jì)算了摻雜體系的折射率和吸收譜。發(fā)現(xiàn)小截面積的金剛石納米線折射率接近1.0，這就意味著這類納米線的單光子發(fā)射的收集效率比截面積大的納米線高。同時，我們還觀測到了