多重掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质研究

论文摘要

铌酸锂晶体因其精良的光、电性质,被广泛应用于集成光学、光通讯等众多领域,是制造微波技术、全息记录介质、相位调解器和红外探测器等器件的重要材料。随着信息时代的发展以及通讯技术的革新,相关行业对信息材料有更高的需求,纯铌酸锂晶体及其掺杂铌酸锂晶体的性能研究,成为全息存储材料领域的热点。对比纯铌酸锂晶体,某些掺杂改善了铌酸锂晶体的光折变和抗光损伤性能,并在掺杂晶体中实现了非挥发性存储,使得存储的信息非易失、存储质量更为理想。目前发现,将铌酸锂晶体用作存储介质研究大都是实验研究,以电子结构和光学性质理论计算为基础的机理研究还较为欠缺,特别是双掺或三掺铌酸锂晶体的非挥发性存储仿真研究。本文利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了纯铌酸锂单晶体和多组掺杂铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱,结果表明,选择适当的光折变离子单掺或共掺可实现铌酸锂晶体非挥发性全息存储:光折变离子Co2+掺杂铌酸锂体系的带隙较纯铌酸锂晶体变窄,禁带宽度为3.32eV,带隙中出现两个杂质能级,杂质能级来源于Co的3d轨道自旋分裂的eg、t2g轨道;Co2+结合抗光折变离子Zn2+共掺的铌酸锂晶体中,Zn2+的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87eV、2.75eV。Co掺杂铌酸锂晶体在可见-近红外光波段2.40eV、1.58eV、1.10eV处形成吸收峰,这些峰源于电子在Co的3d轨道分裂的轨道与导带间的跃迁。加入抗光折变离子Zn2+后,吸收峰1.58eV、1.10eV吸收增强,可以认为Zn2+与Co2+之间存在电荷转移,使eg轨道电子减少,但该转移并不影响t2g轨道电子。研究发现,晶体中的Co离子与不同光折变离子共掺下可充当深能级中心（2.40eV）,或可充当浅能级中心（1.58eV）,两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储。光折变离子Cu2+和Ru2+的单掺、共掺的铌酸锂体系带隙中均产生杂质能级,单掺情况下杂质能级分别由Cu的3d或Ru的4d轨道贡献,共掺体系带隙中出现深浅不一的两个能级,深能级由Cu的3d轨道贡献,浅能级由Ru的4d轨道贡献。抗光折变离子Mg2+的引入对共掺体系带隙没有贡献而无新能级生成。Cu,Ru共掺体系在2.94eV、2.40eV附近形成吸收峰,前者源于从Cu的3d轨道向导带跃迁吸收的光子能量,且相对Cu单掺时的吸收增强,后者源于电子从Ru的4d轨道向导带跃迁吸收的光子能量,但相对Ru单掺时的吸收减弱,因而可以认为吸收峰的变化与Cu,Ru间电子转移相关。吸收光谱的分析表明,增加光折变离子的掺杂浓度可以提高存储中心能级电子浓度,从而改善全息存储参量的动态范围和灵敏度。掺入阈值浓度的Mg对杂质能级的光吸收无明显影响,只影响体系吸收边的移动,有助于提高晶体的抗光损伤性能,改善非挥发全息存储特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 背景及意义
•   1.2 体全息存储技术简介
•   1.3 光折变材料
•     1.3.1 光折变材料的概述
•     1.3.2 光折变效应
•     1.3.3 非易失性存储
•   1.4 铌酸锂晶体
•     1.4.1 铌酸锂晶体的基本结构
•     1.4.2 铌酸锂晶体的掺杂改性
•   1.5 课题内容
• 第二章 密度泛函理论简介
•   2.1 第一性原理
•   2.2 密度泛函理论
•     2.2.1 早期的Thomas-Fermi模型
•     2.2.2 Hohenberg-Kohn定理
•     2.2.3 Kohn-Sham方程
•     2.2.4 交换-关联泛函
•   2.3 CASTEP简介
• 第三章 钴锌共掺铌酸锂晶体的电子结构和光学性质
•   3.1 模型建立和计算方法
•     3.1.1 模型建立
•     3.1.2 计算方法
•   3.2 结果分析
•     3.2.1 铌酸锂晶体的电子结构
•     3.2.2 掺杂铌酸锂晶体的电子结构
•     3.2.3 掺杂铌酸锂晶体的光学性质
•   3.3 本章小结
• 第四章 铜钌镁掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质
•   4.1 模型建立和计算方法
•     4.1.1 模型建立
•     4.1.2 计算方法
•   4.2 结果分析
•     4.2.1 铜钌镁掺杂铌酸锂晶体的电子结构
•     4.2.2 铜钌镁掺杂铌酸锂晶体的光学性质
•   4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 本文结论
•   5.2 本文存在的不足
•   5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴圣钰

导师: 张耘

关键词: 掺杂铌酸锂,密度泛函,电子结构,吸收光谱

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学,化学

单位: 西南大学

分类号: O734;O614.111

总页数: 51

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