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蓝宝石窗口材料在高压下透明性的理论研究

作　者: 代雪峰
导　师: 郭永新
学　校: 辽宁大学
专　业: 理论物理
关键词: 从头算蓝宝石静水压力剪切力光学透明性
分类号: O481
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在冲击压缩研究中的冲击温度测量,尤其是非透明材料的温度测量是研究物质高压相变以及物态方程的一个非常重要的手段。用辐射法测量温度的技术中,窗口材料在高温高压下的透明性是制约该项研究的关键,是人们特别关心又需要亟待解决的问题,因为它与能否正确解读热辐射信号有直接的关系。实验中人们以LiF或蓝宝石单晶等物质作为冲击测温的窗口材料时,通常是根据Grover和Urtiew用一维傅立叶热传导模型得到的界面温度不随时间变化的结论为依据的,该结论是非透明材料冲击温度测量的理论基础。1990年Nellis和Yoo对引入窗口材料测温而出现的新问题作了较为系统的阐述,其中较为引人注目的是冲击压缩后窗口材料能否保持透光性的问题。尽管实验研究窗口材料的不透明性已有很多报道,但理论模拟报道却很少。本文用从头算(ab initio)方法结合赝势平面波基组,对蓝宝石窗口材料分别在0-1000GPa静水压力和12-150GPa静水压力范围内12-30GPa剪切力作用下的光学性质进行了研究,得到了以下结果:1.对蓝宝石加静水压模拟,以研究蓝宝石在高压下的光学性质,发现0-1000GPa压力下,前沿能带的带隙先随压力的增大而增大,当静水压力超过300GPa后,则与大多数非金属材料一样,前沿带隙逐渐变小而成金属化趋势,但在0K和0-1000GPa静水压力范围内蓝宝石的透明性仍很好,在可见光区域对光没有吸收,这与冲击实验的结果有所不同。究其原因有如下解释:a.在模拟过程中,所加的外界条件是绝对理想化的,只对蓝宝石加静水压,不考虑温度效应,而在实验中温度效应是不可避免的,随着压力的增大,温度也在迅速增高,b.模拟过程中没有考虑剪切力的作用,而在实验中,剪切力是存在的。c.没有考虑相变边界的影响。2.对蓝宝石加剪切力,静水压力取12-150GPa,剪切力小于或者等于静水压力,从模拟后得到的能带结构看出,当静水压力和剪切力增大到一定值时,蓝宝石被金属化了,变得完全不透明,随着静水压力和剪切力继续增大(剪切力/静水压力的比值相对减少)蓝宝石又恢复到绝缘体,变得透明了,这个现象与实验观察到的现象定性吻合。3.为了确认蓝宝石的透明性是否和剪切力有关,根据目前的实验结果,我们将

全文目录

内容提要  5-7
Abstract  7-11
序言  11-16
  第一节计算机模拟实验的重要性  11-13
  第二节窗口材料冲击透光性实验测量的研究情况  13-15
  第三节本文研究内容  15-16
第一章从头算方法  16-22
  第一节从头算定义及分类  16
  第二节基于密度泛函的从头算方法的产生和发展  16-17
  第三节计算原理及计算方法  17-22
    一、Born-Oppenheimer 近似  17-18
    二、Hohenberg-Kohn 定理  18-19
    三、Kohn-Sham 方程  19-22
第二章密度泛函理论的应用—CASTEP 计算  22-31
  一、局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)  22-24
  二、Bloch 定理和平面波基集  24-26
  三、范数不变赝势(NCP)和超软赝势(USP)  26-27
  四、能量极小的优化方法  27-29
  五、截断能(cut-off energy)  29
  六、第一性原理方法的不足  29
  七、程序流程图  29-31
第三章高压下蓝宝石的从头算量子力学模拟  31-52
  第一节蓝宝石的理化性质及其用途  31-32
    一、理化性质  31-32
    二、用途  32
  第二节光学性质的理论分析  32-33
  第三节对蓝宝石加静水压力的从头算模拟  33-40
    一、计算方法和结果  33
    二、结果与讨论  33-40
  第四节对蓝宝石加剪切力的从头算模拟  40-49
    一、计算方法和结果  41
    二、结果与讨论  41-49
  第五节对蓝宝石所加静水压力不变、改变剪切力的从头算模拟..  49-51
    一、计算方法和结果  49
    二、结果与讨论  49-51
  第六节小结  51-52
结束语  52-54
参考文献  54-58
后记  58-59
硕士期间科研成果  59

蓝宝石窗口材料在高压下透明性的理论研究

内容摘要

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