铌酸锂晶体.doc

高等材料结构学戴欢**********对象材料:铌酸锂晶体(LiNbO3)。对铌酸锂晶体研究的意义和价值:铌酸锂晶体是一种集电光、双折射、声光、非线性光学、光弹、压电、光折变、热释电、铁电与光生伏打效应等性质于一身的人工晶体材料,多年来备受人们的青睐。它广泛应用于集成光和光波导,如光放大调制器、二次谐波器、Q-开光、光束转向器、相连接器、介电波导、存储元件、全息(光)数据处理装置等。铌酸锂晶体在常温下为铁电相,当温度高于局里温度时为顺电相。其结构决定了它的这些性质,下面将从其常温下的晶体结构、缺陷结构、电子能带结构、显微结构以及纳米结构分别对其作一个简单的介绍。铌酸锂晶体的晶体结构:铌酸锂晶体具有铁电相和顺电相结构,顺电相空间群为RC,铁电相空间群为R3C,属六方晶胞。如图,左图为铁电相,右图为顺电相。在铌酸锂晶体中,氧原子构成氧八面体,各氧八面体以共面的形式堆叠起来形成堆垛,公共面和氧八面体的三重轴垂直。许多个堆垛再以共棱的形式连接起来形成晶体。顺电相中,每个堆垛中的氧八面体按下述顺序交替出现:一个中心有Nb的氧八面体,两个在其公共面上有Li的氧八面体(图中未用直线连接),在其八面体空隙中,1/3由Li原子占据,1/3为Nb,1/3为空穴。沿着C轴方向,原子排列顺序如下:Nb、空穴、Li、Nb、空穴、Li,……铁电相中,Li和Nb都沿着C轴发生了位移,在C轴产生了电偶极矩,即出现了自发极化,图中靠右边的水平线代表氧平面【1】。常温下,铌酸锂晶体空间群为R3C,晶格常数为:a=b=,c=。各原子坐标如下【2】:基失坐标:1=(√3/2,-1/2,0),2=(0,1,0),3=(0,0,3)铌酸锂晶体等效晶位的wyckoff符号【3】:铌酸锂晶体的缺陷结构:在理想的铌酸锂晶体中,沿着C轴方向,每个八面体之间以共面的形式连接,理想的堆积顺为:…-LiO6-NbO6-VacO6-LiO6-NbO6-VacO6-…(VacO6表示空位八面体)当晶体中存在缺陷时,理想的堆积情况在局部被打乱,如图所示,原子成建情况也发生巨大的变化【5】。图中上图【4】为无缺陷铌酸锂晶体的三维晶体结构,下图【5】为缺陷态的铌酸锂晶体的三维晶体结构。由于锂离子和铌离子的半径几乎相同,且处于相似的畸变氧八面体中,但由于Nb5+-O2-键强度大约是Li+-O2-键强度的5倍,所以LN晶体中易于形成本征缺陷,即锂位被铌离子占据,并且晶体必须保持电中性,形成了LN晶体的缺陷结构。铌酸锂晶体的电子能带结构:晶体的电子能带结构可用CASTEP软件进行直接计算。在能带和态密度计算时采用局域密度近似(LDA)的CA-PZ(一种局域近似交换相关能函数)和赝势相结合的方法。布里渊区的求和是通过Monkhorst-Packgrid网络的特殊K点取样来完成的,结构优化和性质计算使用的Monkhorst-PackK点取样网格均为6mesh×6mesh×6mesh。采用局域密度近似计算晶体的电子能带结构时,得到的能带间隙比实验结果偏小。布里渊区【6】:先算倒格矢,然后画倒格子,最后在倒易空间垂直平分面得到布里渊区,如图:说明如下:如图【7】,为铌酸锂晶体的能带结构和态密度曲线:能带结构由但部分构成:低于-15eV的区域;-5~0eV之间的价带;0eV以上的导带。价带的顶部在X点而