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.     

Cu,Fe掺杂LiNbO_3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理对Cu,Fe单掺及共掺LiNbO_3晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果显示:Cu,Fe单掺杂LiNbO_3晶体禁带内均产生了杂质能级,主要由Cu3d,Fe3d轨道及O 2p轨道贡献;共掺LiNbO_3晶体禁带内出现了双能级结构,深能级由Cu3d和O2p轨道贡献,浅能级由Fe3d和O2p轨道贡献.Cu,Fe单掺和共掺LiNbO_3晶体带隙依次缩小,在可见光区的光吸收明显增强.共掺LiNbO_3在445和630nm左右分别表现出一个宽吸收峰,比单掺LiNbO_3晶体表现出更好的光吸收性质.研究表明,Fe占Nb位比Fe占Li位的双掺样品在双光存储应用中更有优势;同时,浓度比[Fe2+]/[Fe3+]值的适当降低有助于这种优势的形成.     

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.     

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.     

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.     

掺锰铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

掺铁铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

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.     

Co-Cr共掺杂金红石型TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

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.     

LiNbO3∶Cr∶Cu晶体吸收特性及非挥发全息存储研究

研究了LiNbO3∶Cr∶Cu晶体的吸收特性,发现LiNbO3∶Cr∶Cu（含0.14 wt.% Cr2O3 和 0.011 wt.% CuO）晶体存在两个明显的吸收峰,中心波长分别位于480 nm和660 nm; 随着Cr的含量逐渐减小,Cu的含量逐渐增大,短波段不存在明显吸收峰,掺Cr的含量越大,中心波长在660 nm处的吸收越大；633 nm红光虽然位于中心波长为660 nm的吸收峰内,但它无助于光折变过程.分别采用390 nm紫外光和488 nm蓝光作为敏化光,514 nm绿光作为记录光的记录方案,实现了非挥发全息记录,掺入适量的Cr( 比如NCr=2.795×1025 m－3,NCr/ NCu=1)有助于全息记录性能的提高.     

X-ray stimulated luminescence in MgO

Studies have been made of the emission spectrum of MgO crystals induced by X-irradiation at 90 K. Two bands (half-widths ～0.8 eV) were observed to peak at 4.95 and 3.2 eV, respectively, in high purity crystals. Doping with 100 ppm or greater of Fe, Co, Cr, Cu, Mn, and Ni suppressed the luminescence, though in the MgO:Ni crystal the 2.3 eV Ni²⁺ band due to the ¹T_2g→³A_2g transition was observed. In deuterium-doped crystals the ratio of the intensity of 3.2–4.95 eV emission was found to be 1.2 as compared to 8 for the undoped crystals. Prior exposure of the pure crystals to ionizing radiation enhances the 4.95 eV band by a factor of three while not affecting the 3.2 eV band. This enhancement of intensity decays in several stages upon standing at room temperature in a way that reflects the thermal stability of the various components of the composite V-band absorption. These facts together with the observation that the 210 K thermoluminescence peak is composed entirely of 4.95 eV emission indicate that this luminescence band is associated with the recombination of an electron with a hole located in a V-type center, i.e. O?□ + e → (O²?□)1 → O²?□ + 4.95 eV, where the square indicates that the perturbing positive ion vacancy is adjacent to the oxugen ion which has captured the hole. In MgO:Li⁺, which exhibits no V-type centers upon irradiation, the 4.95 eV band was absent and a 2.9 eV emission which may be associated with recombination at the [Li]⁰ center was observe.     

Photorefractive recording in LiNbO(3):Mn

The dynamic range, sensitivity, and dark decay of holographic recording of wavelength 458 nm in LiNbO(3) crystals doped with 0.2-at. % Mn with different oxidation states have been measured. The measured sensitivity is 0.5 cm/J and is found to be independent of the oxidation state, and the largest M/# obtained is 12/mm (extraordinary light polarization; light wavelength, 458 nm). This combination of very large M/# and high sensitivity is in strong contrast with results for LiNbO(3):Fe for which a direct trade-off exists between M/# and sensitivity. The activation energy of the dark decay of holograms stored in these LiNbO(3):Mn crystals is ~1.0 eV , which is characteristic of proton compensation and leads to a projected lifetime of holograms of three years at room temperature.     

双掺杂铌酸锂晶体的第一性原理研究

本文利用第一性原理研究了 晶体、 晶体和 晶体的电子结构和光学性质。通过对电子结构的分析,发现杂质能级的深浅与掺杂元素原子序数有关。原子序数越大,杂质能级越深。通过对 晶体、 晶体和 晶体的吸收谱进行分析,并与单掺杂 晶体的吸收谱进行比较,发现双掺杂在可见光区域吸收率明显提高,约为单掺杂的3倍。 晶体分别在380nm和590nm处形成吸收峰, 晶体可见光区域吸收率比 以及 晶体高,分别在450nm附近和660nm附近出现吸收峰, 晶体在430nm到600nm之间区域都有较高的吸收率,并在770nm的长波范围有一小的吸收峰。计算结果与双色全息存储（双光子全息存储）所用记录光的波长相符。