掺杂铌酸锂晶体电子结构和光学性质第一性原理的研究.pdf

摘要铌酸锂晶体是一种应用广泛的多功能晶体,它具有良好的压电、非线性光学、光电以及光折变性能。该晶体可以实现全息存储,目前这方面的应用已经得到了广泛研究。本文利用第一性原理计算方法研究理想铌酸锂晶体,单掺杂铌酸锂晶体以及双掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质。所有计算采用广义梯度近似下的平面波超软赝势方法,通过计算晶胞总能量并进行几何优化,得到基态平衡模型,并以此模型为基础对晶体能带结构、态密度、分态密度、电子布居、差分电子密度、介电函数、能量损失函数、反射谱以及吸收谱进行计算,并分析计算结果,揭示掺杂离子对于晶体电子结构的改变,以及对于光学性质的影响。主要研究内容及结果如下:(1)建立了理想铌酸锂晶体的结构模型,对其进行优化,并计算了电子结构和光学性质。分析结果表明,理想LiNbO,晶体是间接带隙半导体,价带和导带主要由0原子的2p轨道和Nb原子的4d轨道贡献,两者之间形成共价键。0原子为电子受主,Nb原子为电子施主。理想LiNbO,晶体具有明显的各向异性,并对可见光有良好的透射率。介电函数、能量损失函数、反射谱和吸收谱的各项峰值存在明显联系,都与电子的带间跃迁有关。(2)通过对Mn:LiNb03晶体、Fe:LiNb03晶体和Ru:LiNb03晶体的电子结构和光学性质的计算和分析。得到如下结论:掺杂产生了杂质能级,主要由Mn、Fe和Ru的d轨道贡献。掺杂降低了电子跃迁所需能量,同时也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道从0的2p变为Mn、Fe和Ru的d轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。Fe的掺杂使Fe:LiNbO,晶体的能量损失函数有较大的增加,会对光存储的效率有一定影响。Mn、Fe和Ru的掺杂都使晶体的光学性质在可见光低能范围发生变化,吸收谱在可见光区域产生吸收峰,有利于晶体全息存储的应用。(3)计算了Mn:Fe:LiNb03晶体、Mn:Ru:LiNb03晶体和Fe:Ru:LiNb03晶体的电子结构和光学性质。分析结果表明,双掺杂引入了位置不同的两个杂质能级,Mn:Fe:LiNbO,晶体中Fe杂质能级为深能级,Mn杂质能级为浅能级;Mn:Ru:LiNb03晶体中Ru杂质能级为深能级,Mn杂质能级为浅能级Fe:Ru:LiNb03晶体中Ru杂质能级为深能级,Fe杂质能级为浅能级。通过吸收谱的分析,得出双掺杂在可见光区域吸收率明显提高。三种晶体在可见光区域都有明显的吸收峰出现,并且它们的位置与实验结果相符的很好。晶体在低能区域产生吸收峰说明深浅能级的电子结构发挥了作用。关键词:铌酸锂晶体;第一性原理;掺杂;电子结构;,nonlinear-optics,electro—optics,andphoto—,theelectronicstructureandopticalpropertiesoftheperfectlithiumniobate,dopedlithiumniobateanddouble·-softpseudo—potentialapproachoftheplanewaveandgeneralizedgradientapproximation,,densityofstates,partialdensityofstates,populationanalysis,partialdensityofelectrons,dielectricfunction,lossfunction,