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氟化钇锂晶体的本征缺陷及掺杂机理的研究

作　者: 尹继刚
导　师: 张启仁
学　校: 上海理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 氟化钇锂晶体电子结构吸收光谱光学性质色心掺杂机制密度泛函理论模拟计算
分类号: O77
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

氟化钇锂晶体LiYF₄（YLF）作为固态激光基质晶体和闪烁晶体的研究已经成为近年来国内外在该领域实验研究和理论研究的热点。然而，目前人们对激光晶体的理论研究主要是利用配位场理论研究掺杂元素在给定基质材料的局部环境中的光谱能级，用于计算这些原子能级的晶场参数也都是由实验数据拟合的。而基质材料本身的点缺陷和电子结构以及由于掺杂而引入缺陷的机理并没有得到广泛的研究，这些性质的研究有利于提高和改善材料的激光性能，甚至可以帮助发现新的激光基质材料。尤其是对色心形成和转型的研究，不仅可以了解辐照着色的微观机制，同时对色心激光的发展具有重要理论和现实意义。本论文分析了YLF晶体可能存在的本征缺陷及这些本征缺陷可能引起的色心，模拟计算了含各种可能存在的点缺陷的晶体的电子结构，研究了YLF晶体色心吸收带起源。本论文由六部分组成：YLF晶体研究背景的介绍（第一章）；计算机模拟的理论基础（第二章）；计算机模拟YLF晶体的本征缺陷（第三章）；填隙氧原子在晶体中的存在机制及其对晶体光学性质的影响（第四章）；掺杂Yb:YLF晶体的计算机模拟（第五章）；论文总结（第六章）。第一部分，绪论。主要阐述了YLF晶体研究背景及其研究现状,和本文的主要研究内容。第二部分，介绍了论文所用的ABINIT Package基于密度泛函理论和平面波赝势的理论。第三部分，通过分析得到YLF晶体最可能存在的三种本征点缺陷色心，H心，F心和M心。在YLF晶体中H心和F心应该是同时产生的，然而当外部辐照计量较大时，F心将发生聚集形成M心。对于H心的计算，我们根据缺陷化学和结晶学的基本知识，讨论了填隙氟原子在晶体中可能存在的位置，然后模拟计算含有填隙氟原子的YLF晶体的电子结构。计算结果表明，填隙氟原子的存在会与正常格位的氟离子发生两种形式的结合而形成两种结构的分子离子色心，该色心的形成都将可能引起260nm附近的吸收。辐照损伤YLF晶体的260nm的吸收来源于H心。计算表示，F心和M心的存在，使YLF晶体的禁带中产生了新的能级，并导致晶体的禁带宽度变窄。产生的新能级将可能引起对应能量为3.73eV和2.42eV的吸收跃迁，分别对应着333nm附近和513nm附近的吸收，与实验值330nm和505nm基本吻合。第四部分，依据对填隙型色心计算和通过了解大量的YLF晶体的实验室生长方法的基础上，讨论了填隙氧对YLF晶体的影响，得到了与计算H心极其类似的结果，即填隙氧进入晶体后将以原子的形式与正常格位的氟离子结合形成两种不同结构的异核分子离子色心，并可能引起晶体的260nm的吸收。第五部分，在已有实验的基础上，讨论了辐照对掺Yb的YLF晶体的影响。首先分析了辐照后Yb在YLF晶体中存在的形式，经分析可得Yb³⁺和Yb²⁺将同时存在于晶体中。通过对Yb³⁺:YLF和Yb²⁺:YLF晶体的电子结构的计算，结果表明：Yb²⁺:YLF晶体中，与Yb²⁺最近邻的两个长键氟离子F3和F4共同俘获一个孔穴来补偿Yb²⁺周围的负电性，从而形成一个双原子分子离子V_F心。根据（MO-LCAOs）理论，此V_F心将引起340nm的吸收。第六部分，全文总结。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-16
  1.1 引言  10-11
  1.2 LiYF_4晶体的结构  11-12
  1.3 LiYF_4晶体中的缺陷研究  12-15
    1.3.1 色心研究的理论基础  12-13
    1.3.2 LiYF_4晶体的色心研究  13-15
  1.4 LiYF_4晶体的计算机模拟  15
  1.5 本工作的目的任务  15-16
第二章理论方法及程序包简介  16-34
  2.1 从头算法的产生和发展  16-17
    2.1.1 从头算法定义及分类  16
    2.1.2 基于密度泛函的从头算法的产生和发展  16-17
  2.2 密度泛函理论  17-25
    2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理  18-20
    2.2.2 Kohn-Sham 定理  20-21
    2.2.3 局域密度近似(LDA)  21-24
    2.2.4 广义梯度近似(GGA)  24-25
  2.3 赝势方法  25-31
    2.3.1 正交平面波  25-26
    2.3.2 赝势  26-27
    2.3.3 超软赝势  27-31
  2.4 ABINIT 程序包简介  31-34
第三章计算机模拟 LiYF_4晶体的本征缺陷  34-44
  3.1 引言  34-35
  3.2 完整 LiYF_4晶体的模拟计算  35-37
    3.2.1 计算方法  35-36
    3.2.2 结构常数和原子间距的计算  36-37
    3.2.3 完整 LiYF_4晶体的电子结构  37
  3.3 含 H 心 LiYF_4晶体的研究  37-40
    3.3.1 填隙氟原子在晶体中存在的最佳位置  37-39
    3.3.2 含 H 心 LiYF_4晶体的电子结构  39-40
  3.4 含 F 型色心 LiYF_4晶体的研究  40-43
    3.4.1 含 F 心 LiYF_4晶体的研究  40-41
    3.4.2 含 F_2心 LiYF_4晶体的研究  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章含填隙氧原子 LiYF_4晶体的研究  44-48
  4.1 填隙氧原子在晶体中存在的最佳位置  44-45
  4.2 填隙氧的存在对晶体光学性质的影响  45-46
  4.3 本章小结  46-48
第五章掺 Yb 的 LiYF_4晶体电子结构的研究  48-54
  5.1 赋色后 Yb 在 LiYF_4晶体中的存在形式  48
  5.2 赋色后 Yb:LiYF_4晶体的电子结构  48-52
    5.2.1 Yb~(3+):LiYF_4的电子结构  48-49
    5.2.2 Yb~(2+):LiYF_4的电子结构  49-52
  5.3 结论  52-54
第六章结论  54-56
参考文献  56-60
在读期间发表的论文  60-61
致谢  61-62
作者简介  62

氟化钇锂晶体的本征缺陷及掺杂机理的研究

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