CdSiP2晶體中缺陷與光學(xué)性質(zhì)關(guān)系的第一性原理研究.pdf

1、中遠(yuǎn)紅外（3-20μm）激光器在非線性光學(xué)檢測與醫(yī)療、光伏器件和激光通訊，如IR對抗、微量氣體檢測，等方面，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。而目前，非氧系統(tǒng)的含磷或硫紅外非線性光學(xué)材料由于其卓越的紅外光譜透過性和可大于4μm的激光輸出而受到了廣泛的關(guān)注。其中，一種典型的非氧系統(tǒng)三元化合物——黃銅礦結(jié)構(gòu)ABC2，由于其優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)受到了廣泛研究，并被認(rèn)為是很有前景的候選材料。一般地，為了達(dá)到實際的應(yīng)用需求，中遠(yuǎn)紅外非線性光學(xué)材料在作為激光轉(zhuǎn)換裝

2、置時應(yīng)滿足幾個要求。其中一個非常重要的條件便是在3-5μm和8-12μm窗口要有較好的IR透過率。
　　中遠(yuǎn)紅外非線性光學(xué)晶體可以通過利用雙折射效應(yīng)和位相匹配將激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換來達(dá)到輸出可調(diào)諧激光的目的。CdSiP2(CSP)晶體因其顯著的雙折射效應(yīng)、高的非線性光學(xué)系數(shù)、良好的位相匹配特性等而眾所周知，其透光范圍理論上可以達(dá)到0.5-10μm。然而，當(dāng)透過光為o-偏振光時，它在1.3μm，2μm和3.5μm存在較強(qiáng)的吸收峰;當(dāng)透過

3、光為e-光時，強(qiáng)吸收峰出現(xiàn)在1.34μm和1.78μm附近。這一現(xiàn)象既嚴(yán)重降低了CSP的光學(xué)損傷閾值，又會影響其作為光頻裝換器件的效率。然而通過實驗檢測手段，如EPR、ESR等方法目前很難直接準(zhǔn)確地研究晶體本征缺陷類型與光學(xué)性質(zhì)尤其是吸收譜之間的具體聯(lián)系?；诿芏确汉碚?DFT)的第一性原理方法可以不必局限于實驗限制，從晶體本身結(jié)構(gòu)出發(fā)解釋其內(nèi)在的物理規(guī)律。
　　本文通過DFT第一性原理方法，根據(jù)實驗中具體的化學(xué)環(huán)境和晶體生長熱

4、力學(xué)過程，確定了晶體元素化學(xué)勢的范圍，并根據(jù)缺陷形成能公式，計算比較了不同類型和帶電態(tài)的缺陷形成能的大小，得知了主要的點(diǎn)缺陷和復(fù)合缺陷;然后，通過對主要點(diǎn)缺陷幾何形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)等的研究，總結(jié)出了缺陷-吸收譜之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為實驗中判別缺陷類型和缺陷行為提供了參考。本文的研究內(nèi)容和主要創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　1、首先使用DFT-GGA和DFT-HSE方法研究了完美CSP晶體的幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等。通過以2×

5、2×1（含64原子）超胞為基胞，對比了不同大小超胞(2×2×2，2×2×3和3×3×2)的中性缺陷形成能，確定了使用2×2×2的超胞不僅資源消耗小，而且完全可以滿足計算要求。并且，通過參考實際實驗中不同化學(xué)環(huán)境和晶體生長熱力學(xué)過程，我們確定了CSP各種元素化學(xué)勢的大小。
　　2、計算研究了不同化學(xué)環(huán)境下CSP晶體材料中不同類型和不同帶電態(tài)本征點(diǎn)缺陷形成能和帶隙的分布關(guān)系以及幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)和差分電荷密度等，發(fā)現(xiàn)CSP晶體主要的缺

6、陷為-2價的VCd，+2價的SiCd，-4價的Vsi可以自發(fā)形成，這一結(jié)果也與實驗相吻合。
　　3、在上一步計算的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了主要缺陷態(tài)對光學(xué)性質(zhì)的具體物理行為，并提出缺陷SiCd的存在是e偏振吸收峰1.34μm和1.78μm的主要來源，而VCd2-和Vsi的產(chǎn)生則會引起比較明顯的吸收譜截止邊的紅移。
　　4、初步探索了CSP晶體中可能存在的中性缺陷簇和雜質(zhì)態(tài)Fe的缺陷行為。研究指出在所有考慮的中性復(fù)合缺陷之中，SiC