第一性原理下铜锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Cu、Mn单掺及共掺LiNbO3晶体的电子结构和光学性质.结果显示,Cu、Mn掺杂LiNbO_3晶体禁带中的杂质能级分别由Cu 3d轨道、Mn 3d轨道贡献;各掺杂体系的带隙均较纯LiNbO_3晶体变窄.共掺晶体中Cu离子形成了较单掺时更浅的能级中心,并在2.87eV处有较强的吸收峰;Mn离子在1.73eV附近的吸收较单掺时减弱且中心略有偏移,在2.24eV处的非光折变峰与Mn~(3+)相关,这对吸收峰的变化被认为与Cu、Mn间电子转移相联系.相对Cu、Fe共掺LiNbO_3晶体,Cu、Mn共掺LiNbO_3晶体可以通过适当提高Cu离子浓度,来改善存储参量中的动态范围和记录灵敏度.由于同一深能级掺杂离子伴以不同浅能级掺离子将呈现出不同的吸收特征并影响存储性能,在共掺离子的配搭选择时对各待选配搭的模拟计算非常必要.     

铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体及对比组的电子结构和光学特性.研究显示,单掺铜或铁铌酸锂晶体的杂质能级分别由Cu 3d轨道或Fe 3d轨道贡献,禁带宽度分别为3.45和3.42 eV;铜、铁共掺铌酸锂晶体杂质能级由Cu和Fe的3d轨道共同贡献,禁带宽度为3.24 eV,吸收峰分别在3.01,2.53和1.36 eV处;Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体中Mg^2+浓度低于阈值或高于阈值(阈值约为6.0 mol%)的禁带宽度分别为2.89 eV或3.30 eV,吸收峰分别位于2.45 eV,1.89 eV或2.89 eV,2.59 eV,2.24 eV.Mg^2+浓度高于阈值,会使吸收边较低于阈值情况红移;并使得部分Fe^3+占Nb位,引起晶体场改变,从而改变吸收峰位置和强度.双光存储应用中可选取2.9 eV作为擦除光,2.5 eV作为读取和写入光,选取Mg^2+浓度达到阈值的三掺晶体在增加动态范围和灵敏度等参量以及优化再现图像的质量等方面更具优势.     

Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理, 研究了LiNbO₃晶体以及不同Mg浓度的Fe:Mg:LiNbO₃晶体的电子结构和吸收光谱. 研究结果显示: 掺铁铌酸锂晶体的杂质能级由Fe 的3d轨道和O的2p轨道贡献, 禁带宽度为2.845 eV; 对于Mg, Fe共掺样品, Mg的浓度小于或等于阈值时, 禁带宽度分别为2.901 和2.805 eV; 掺铁铌酸锂晶体的吸收谱在2.3和2.6 eV处分别存在一个吸收峰, 其强度因Mg的浓度不同而发生变化. 研究结果还表明, 不同浓度的Mg对晶体内Fe²⁺和Fe³⁺的浓度以及占位产生了不同的影响. 还提出了光电子的形成不应单独考虑铁的轨道电子态, 而应同时考虑与铁成键的氧的轨道电子态的观点.     

Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了Co单掺及Co和Zn共掺LiNbO_3晶体的电子结构和吸收光谱.研究显示,各掺杂体系铌酸锂晶体的带隙均较纯铌酸锂晶体变窄. Co:LiNbO_3晶体禁带宽度为3.32 eV; Co:Zn:LiNbO_3晶体, Zn的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87或2.75 eV. Co:LiNbO_3晶体在可见-近红外光波段2.40, 1.58, 1.10 eV处形成吸收峰,这些峰归结于Co 3d分裂轨道的跃迁;加入抗光折变离子Zn~(2+),在1.58, 1.10 eV处的吸收峰增强,可以认为Zn~(2+)与Co~(2+)之间存在电荷转移,使e_g轨道电子减少,但并不影响t_(2g)轨道电子.结果表明,晶体中的Co离子在不同共掺离子下可充当深能级中心(2.40 eV),或可充当浅能级中心(1.58 eV),两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储.     

第一性原理下铟锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱

本文利用第一性原理研究了In:Mn:LiNbO_3晶体及对比组的电子结构和光学特性.研究结果显示,掺锰铌酸锂晶体的杂质能级主要由Mn的3d态轨道贡献,在禁带中处于较浅的位置,在价带顶端也有所贡献,晶体带隙较纯铌酸锂晶体变窄;Mn:LiNbO_3晶体分别在1.66,2.85 eV等位置形成了吸收峰;掺In的Mn:LiNbO_3晶体在1.66 eV附近的吸收明显减弱,掺铟浓度约为闽值(约3 mol%)时在1.66 eV吸收继续减弱,并出现了一些新的光吸收峰.本文提出了1.66 eV的吸收与Mn2+离子相关,因掺铟离子而出现的2.13 eV的吸收与Mn~(3+)离子相关,这两峰随着掺铟离子的增加将出现前者减弱而后者增强的变化,该变化可以用电荷在锰、铟离子间的转移解释;还提出在铟、锰共掺铌酸锂晶体中,若光存储的记录光选择低能段(1.66 eV附近),此时对应记录灵敏度要求较小的掺铟量等观点.     

Mn-N共掺杂TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO_2和Mn-N共掺杂TiO_2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO_2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO_2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn的3d轨道贡献;N掺杂TiO_2在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti 3d和N 2p轨道杂化形成;Mn-N共掺的TiO_2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成;对于介电函数,在低能区间(2.5 e V),理想TiO_2无介电峰,Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO_2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

Mn-N共掺杂TiO2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO2和Mn-N共掺杂TiO2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn 的3d轨道贡献;N掺杂TiO2在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 3d和N 2p轨道杂化形成; Mn-N共掺的TiO2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成; 对于介电函数,在低能区间(<2.5 eV),理想TiO2无介电峰, Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

Cu离子注入单晶TiO_2微结构及光学性质的模拟研究

TiO_2是一种新型的第三代半导体材料,具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO_2,可以改善TiO_2对光谱的响应范围,提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO_2结构及其相应光学性质的变化.结果表明,金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献,导带底主要由Ti 3d轨道贡献;掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级;Ti空位使得晶体费米能量降低,在价带顶产生新能级;O空位使得费米能量升高,在导带底产生新能级,表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析,得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.     

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近. Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.     

PbWO4电子结构的密度泛函计算

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法模拟计算了PbWO4 晶体的本征能级结构 .发现价带主要由O2p轨道组成 ,含有部分W 5d轨道 ;导带主要由W 5d和O2 p的轨道组成 .发现导带底由Pb6 p1/ 2 的狭窄能级占有 .禁带宽度和价带宽度分别约为 4.8和 4eV .计算结果很好地解释了实验得到的反射谱 ,并从理论上分析了PbWO4 晶体蓝光的发光模型     

Information capacity and resolution in three-dimensional imaging

In this paper we report experimental studies of nonvolatilephotorefractive holographic recording in doping In(3mol%), which exceed the so-called threshold, in Ce:Cu:LiNbO₃ crystals. The In:Ce:Cu:LiNbO₃ crystal was grown by the Czochralski method and oxidized. The OH⁻ absorption band of In:Ce:Cu:LiNbO₃ crystal is 3507cm⁻¹. The nonvolatile holographic recording in In:Ce:Cu:LiNbO₃crystal is realized by two-photon fixed method. From the experiment, we found that the recording time of In:Ce:Cu:LiNbO₃ crystal is lower than that of Ce:Cu:LiNbO₃ crystal and there are a little lose of nonvolatile diffraction efficiencies between In:Ce:Cu:LiNbO₃ and Ce:Cu:LiNbO₃ crystals. In this paper, the mechanism of OH⁻ absorption band shifting and two-photon fixed was discussed, too.     

Emission properties of Ta-centres in KCl

Electrolytic colouration at about 600°C and 350 V/cm, for KCl crystal containing Pb²⁺ and for KCl:Pb²⁺ crystals co-doped with Li⁺, Na⁺ and Rb⁺ has been undertaken. Several absorption bands were observed in both doped and co-doped crystals in the visible-UV region. Excitation into these bands gives rise to the same 0.86 eV emission band except for the Li⁺-co-doped crystal which gives rise to a 0.80 eV emission band. These absorption bands are due to the same T_a-centre related to Pb⁻. The observed infrared emission intensity of the crystal with F-centres is higher than of without F-centres.     

掺杂晶体材料ZnGa_2O_4:Fe~(3+)局域结构畸变及其微观自旋哈密顿参量研究

基于Newman的晶场叠模型与微观自旋哈密顿理论,建立了ZnGa2O4:Fe3+晶体材料中磁性离子Fe3+局域结构与其自旋哈密顿(spin-Hamiltonian,SH)参量(包括二阶零场分裂(zero-field splitting,ZFS)参量D,四阶ZFS参量(a-F),Zeeman g因子:g//,g⊥,△g(=g//-g⊥))之间的定量关系.采用以全组态完全对角化方法为理论背景的CFA/MSH(Crystal Filed Analysis/Microscopic Spin Hamiltonian)研究软件,研究了ZnGa2O4:Fe3+材料中磁性离子Fe3+的SH参量与其局域结构的依赖关系.研究表明:对于ZnGa2O4:Fe3+晶体材料,当磁性离子Fe3+的局域结构畸变参数△R=0.0487 nm,△θ=0.192°时,其基态SH参量理论计算结果与实验测量符合很好,进一步表明Fe3+掺入晶体材料后将引起磁性Fe3+离子局域结构的微小畸变,但其仍然保持D3d点群对称局域结构.在此基础上研究分析了SH参量的微观起源,结果表明:ZnGa2O4:Fe3+晶体材料的SH参量主要来源于SO(spin-orbit)磁相互作用机理,来自其他磁相互作用机理(包括SS(spin-spin),SOO(spin-other-orbit),OO(orbit-orbit),SO-SS-SOO-OO)的贡献比较小.     

低能离子轰击后铌酸锂晶体表面层的性质

从实验中观察到,低能离子轰击后的铌酸锂晶体表面层在3500—6500?之间出现至少两个光吸收峰,表面的相对暗电导率增加两个数量级。这表明离子轰击后的铌酸锂中产生了附加的光吸收和电导激活中心。在离子轰击过程中,由于某些原子基团和原子的优先溅射,在表面层中造成相当大的化学计量比偏离,它直接影响晶体的光学和电学性质。XPS(X射线电子能谱)测试结果证实,这一表面层的构成符合铌酸锂缺陷结构的空位模型。讨论了附加激活中心的成因,并据此解释了Ar⁺/O⁺混合离子轰击铌酸锂晶体所得到的结果。 关键词：     

KCdF3晶体中Cr3+-Li+中心局域结构研究

利用零场分裂参量与晶体结构之间的定量关系,研究了双掺杂晶体KCdF₃:Cr³⁺,Li⁺的局域结构。指出,对于KCdF₃:Cr³⁺,Li⁺晶体,四角晶场的形成包含两个方面:(1)由于电荷补偿而产生的等效电荷形成的四角对称晶场;(2)Cr³⁺的局域结构发生晶格畸变而产生的四角对称晶场。事实上,当Cr³⁺和Li⁺掺入KCdF₃晶体时,Cr³⁺代替了Cd²⁺离子;由于Cr³⁺离子与Cd²⁺离子的半径不同、电荷不同、质量不同,导致Cr³⁺的局域结构发生晶格畸变,由此而产生四角对称晶场;由于电荷补偿,Li⁺离子取代了[001]方向与Cr³⁺离子邻近的Cd²⁺离子,由此产生的等效电荷而形成的四角晶场。这样,Cr³⁺的局域结构由O_h对称变为C_4v点对称。文中建立了ZFS参量和晶体结构之间的定量关系。在考虑晶格畸变和等效电荷的基础上,研究了KCdF₃:Cr³⁺,Li⁺晶体的ZFS参量,理论结果和实验符合很好。得到了F^-离子向中心离子分别移动为ΔR₁=0.00268nm,ΔR₂=0.001nm,ΔR₃=0.00165nm。     

Electron paramagnetic resonance study of copper impurity charge-states in PbWO4 scintillator

The study of two types of Cu²⁺ centres observed in nominally pure PbWO₄ crystals grown by Bridgman and Czochralski methods was carried out by electron paramagnetic resonance (EPR). One of centres, called Cu²⁺(I), arises after oxygen compensation, while the second one, called Cu²⁺(II) requires, in addition, infrared illumination at low temperatures, being thermally stable only up to 22–23 K. The EPR spectra of both Cu²⁺ centres are described by rhombic symmetry g-tensors with the Z-principal axis lying close to, or in the (ab) plane of the crystal. It is proposed that in both centres the Cu²⁺ ions substitute for Pb²⁺ ions. The additional reduction of the local crystal-field symmetry is connected with a CuWO₄ wolframite-type lattice distortion for the Cu(I) and a Jahn–Teller distortion of the regular PbWO₄ lattice for the Cu(II). It was also found that either IR irradiation or thermal heating activate the transfer of an electron between two closely spaced Cu²⁺ centres.     

Li+和Er3+掺杂对Ba2SiO4：Eu2+发光性能的影响

采用化学沉淀法一次煅烧工艺制备了Ba_1.99-x/2-2ySiO₄:Eu_0.01²⁺, Li_x+y²⁺, Eu_y³⁺绿色荧光粉, 用X射线衍射仪和荧光分光光度计对样品的晶体结构、发光性能进行表征. 结果表明: 少量Eu²⁺, Li⁺和Er³⁺的共掺杂没有改变晶体结构; 其激发光谱分布在270–440 nm波长范围, 谱峰位于288 nm, 360 nm处, 可以被InGaN 管芯产生的360–410 nm辐射有效激发; 在360 nm近紫外光激发下, 测得其发射光谱峰值在500 nm 处, 是Eu²⁺4f⁶5d¹→4f⁷跃迁的典型发射; 荧光粉发光强度随着Li⁺掺杂量的增大先增强, 后减弱, 当x=0.1时, 发光强度最大; 随着Li⁺, Er³⁺共掺杂量的增加(y=0.012), 出现位于530 nm和488 nm的发射峰, 对应于Er³⁺的²H_11/2→⁴I_15/2和⁴F_7/2→⁴I_15/2特征发射, 同时分析了Eu²⁺→Er³⁺的能量传递过程. 关键词： 化学沉淀法 2SiO₄：Eu²⁺,Li⁺,Er³⁺')" href="#">Ba₂SiO₄：Eu²⁺,Li⁺,Er³⁺ 能量传递 发光性能     

Spectroscopic properties of ZnWO4 single crystal doped with Fe and Li impurities

The influence of Fe and Li co-doping on optical properties of ZnWO₄ crystals have been investigated by optical spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR). The iron ions were added to the ZnWO₄ composition in the form of Fe⁰, FeO or Fe₂O₃. EPR has been used for determination of the Fe³⁺ concentration. The luminescence and excitation spectra obtained at different temperatures are presented. Under excitation 325 nm, two bands were observed: blue-green emission peaked at 490 nm and red peaked at 650 nm. The blue- green emission is related to Fe³⁺ and their shape depends on the doping method. The red emission is not related to the Fe³⁺.