摻雜鈮酸鋰晶體電子結構和光學性質的第一性原理研究.pdf

1、鈮酸鋰晶體是一種應用廣泛的多功能晶體，它具有良好的壓電、非線性光學、光電以及光折變性能。該晶體可以實現(xiàn)全息存儲，目前這方面的應用已經(jīng)得到了廣泛研究。 本文利用第一性原理計算方法研究理想鈮酸鋰晶體，單摻雜鈮酸鋰晶體以及雙摻雜鈮酸鋰晶體的電子結構和光學性質。所有計算采用廣義梯度近似下的平面波超軟贗勢方法，通過計算晶胞總能量并進行幾何優(yōu)化，得到基態(tài)平衡模型，并以此模型為基礎對晶體能帶結構、態(tài)密度、分態(tài)密度、電子布居、差分電子密度、介電

2、函數(shù)、能量損失函數(shù)、反射譜以及吸收譜進行計算，并分析計算結果，揭示摻雜離子對于晶體電子結構的改變，以及對于光學性質的影響。主要研究內(nèi)容及結果如下： (1)建立了理想鈮酸鋰晶體的結構模型，對其進行優(yōu)化，并計算了電子結構和光學性質。分析結果表明，理想LiNbO3晶體是間接帶隙半導體，價帶和導帶主要由O原子的2p軌道和Nb原子的4d軌道貢獻，兩者之間形成共價鍵。O原子為電子受主，Nb原子為電子施主。理想LiNbO3晶體具有明顯的各向異

3、性，并對可見光有良好的透射率。介電函數(shù)、能量損失函數(shù)、反射譜和吸收譜的各項峰值存在明顯聯(lián)系，都與電子的帶間躍遷有關。 (2)通過對Mn:LiNbO3晶體、Fe:LiNbO3晶體和Ru:LiNbO3晶體的電子結構和光學性質的計算和分析。得到如下結論：摻雜產(chǎn)生了雜質能級，主要由Mn、Fe和Ru的d軌道貢獻。摻雜降低了電子躍遷所需能量，同時也降低了各原子的電子軌道能量。晶體中最高占據(jù)軌道從O的2p變?yōu)镸n、Fe和Ru的d軌道。摻雜離子

4、在晶體中同時充當電子的施主與受主。Fe的摻雜使Fe:LiNbO3晶體的能量損失函數(shù)有較大的增加，會對光存儲的效率有一定影響。Mn、Fe和Ru的摻雜都使晶體的光學性質在可見光低能范圍發(fā)生變化，吸收譜在可見光區(qū)域產(chǎn)生吸收峰，有利于晶體全息存儲的應用。 (3)計算了Mn:Fe:LiNbO3晶體、Mn:Ru:LiNbO3晶體和Fe:Ru:LiNbO3晶體的電子結構和光學性質。分析結果表明，雙摻雜引入了位置不同的兩個雜質能級，Mn:Fe: