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LaB_6光学性质的第一性原理计算及实验研究

作 者: 肖立华
导 师: 伏云昌
学 校: 昆明理工大学
专 业: 光学
关键词: 六硼化镧(LaB6) 第一原理 电子结构 光学性质 透光特性
分类号: O482.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


LaB6热电子发射阴极材料不仅具有很好的导热性和导电性等金属性能,而且具有高熔点、高硬度和高化学稳定性等陶瓷性能,这些优异性能使其具有广阔的应用前景。最近研究者发现具有自由电子的局域表面等离子体共振(LSPR)效应的六硼化镧(LaB6)纳米粉末对太阳光中的近红外辐射有着明显的吸收和散射,因而被认为是一种新型窗用隔热节能材料,使其成为继ATO、ITO之后光电研究领域又一热门的研究课题。在理论方面本文采用基于密度泛函理论的第一性原理的从头算分子动力学方法系统地计算了LaB6基态的电子结构、态密度和光学性质以及温度、外压下LaB6电子结构等性质进行了研究;另外,实验上采用微波固相合成法在较低温度下合成了六硼化镧(LaB6)纳米粉末,制备了LaB6纳米粉末PVB涂层,对其光学性能和隔热效果进行了探讨。主要研究内容及其结果如下:1.理论计算结果表明:①.利用密度泛函理论计算了LaB6的电子结构、态密度和光学性质。能带结构分析表明LaB6是一种导体,其价带主要由B的2p态电子构成,导带主要由La的5d6s态电子构成;静态介电常数ε1(0)=213.7,折射率n(0)=14.803,吸收系数在可见光范围内最小波谷为21585.2cm-1。②.理论透光率在紫外和近红外几乎为零的情况下,LaB6对可见光有很高的透光率,呈“吊铃型”分布;理论透光率与温度呈非线性关系,在300K理论透光率最大,为57.6%。研究结果为LaB6光电材料的设计和应用提供了理论依据。③.计算了外压调制下LaB6的电子结构和光学性质,结果表明:当外压增大到一定程度时LaB6的光学性质会发生突变。④.LaB6和CaB6光学性质的本质区别取决于电子结构中La 5d和Ca 3d对其自身材料的贡献。2.实验结果表明:采用涂覆法制备了LaB6/PVB透明隔热涂层。在LaB6含量为0.05%时,其在可见光区(380-780 nm)透射率可达79%,而近红外光区(780-1000 nm)的屏蔽率为54%。结果说明含纳米LaB6的PVB涂层对近红外光有明显的阻隔作用。在红外灯下照射60min后,透明隔热玻璃的箱体温度与空白玻璃之间的箱体温差可达2.5℃,隔热效果显著。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 六硼化镧的结构、性能与应用  9-13
    1.2.1 六硼化镧的结构  10
    1.2.2 六硼化镧的性能  10-11
    1.2.3 六硼化镧的应用  11-12
    1.2.4 LaB_6的隔热原理  12-13
  1.3 六硼化镧光学特性的国内外研究现状  13-14
    1.3.1 六硼化镧光学特性的国外研究状况  13-14
    1.3.2 六硼化镧光学特性的国内研究现状  14
  1.4 透明隔热玻璃涂层的研究进展与行业现状分析  14-16
  1.5 窗用隔热膜消费市场总体前景及需求程度分析  16-17
    1.5.1 窗用隔热膜消费市场总体前景  16-17
    1.5.2 窗用隔热膜消费市场需求程度分析  17
  1.6 本课题的研究意义和内容及创新点  17-19
    1.6.1 本课题的研究意义和内容  17-18
    1.6.2 本研究课题的创新点  18-19
第二章 CASTEP软件介绍及部分相关理论知识  19-28
  2.1 CASTEP软件介绍  19-20
  2.2 平衡系统从头算分子动力学模拟的系综选择  20-22
    2.2.1 微正则系综(NVE)  20-21
    2.2.2 正则系综(NVT)  21
    2.2.3 等温等压系综(NPT)  21-22
    2.2.4等温等焓系综(NPH)  22
  2.3 固体介电响应理论及光学性质  22-28
    2.3.1 基本光学常数和介电常数的关系  22-24
    2.3.2 介电函数的色散理论  24-28
      2.3.2.1 Lorentz色散理论  24-26
      2.4.2.2 Drude色散理论  26
      2.4.2.3 光吸收的量子理论  26-28
第三章 LaB_6电子结构及光学性质的理论计算  28-40
  3.1 计算模型和方法  28-29
    3.1.1 晶体结构及模型  28
    3.1.2 计算方法  28-29
  3.2 计算结果与讨论  29-39
    3.2.1 结构优化  29
    3.2.2 LaB_6的电子态密度分布  29-31
    3.2.3 能带结构  31-32
    3.2.4 光学性质  32-39
      3.2.4.1 LaB_6复介电函数  32-33
      3.2.4.2 LaB_6复折射率  33-34
      3.2.4.3 LaB_6光电导率  34-35
      3.2.4.4 LaB_6反射谱  35
      3.2.4.5 LaB_6吸收谱  35-36
      3.2.4.6 LaB_6损失函数  36-38
      3.2.4.7 LaB_6理论透光率  38-39
  本章小结  39-40
第四章 理论计算分析与讨论  40-57
  4.1 温度调制下LaB_6的电子结构及光学性质计算  40-44
    4.1.1 计算方法  40
    4.1.2 温度调制下LaB_6的电子结构计算  40-42
    4.1.3 温度调制下LaB_6的光学性质计算  42-44
  4.2 外压调制下LaB_6的电子结构与光学性质计算  44-48
    4.2.1 计算方法  44
    4.2.2 外压调制下LaB_6的电子结构计算  44-45
    4.2.3 外压调制下LaB_6的光学性质计算  45-48
  4.3 不同结构优化下的LaB_6的光学性质计算比较研究  48-52
    4.3.1 分子动力学结构优化和几何结构优化LaB_6的态密度比较  48-49
    4.3.2 分子动力学结构优化和几何结构优化LaB_6的能带结构比较  49
    4.3.3 分子动力学结构优化和几何结构优化LaB_6的介电函数比较  49-50
    4.3.4 分子动力学结构优化和几何结构优化LaB_6的反射谱、吸收谱和透光率的比较  50-52
  4.4 LaB_6、CaB_6电子结构和光学性质的对比研究分析  52-56
    4.4.1 LaB_6、CaB_6电子态密度分布的对比研究分析  52-53
    4.4.2 LaB_6、CaB_6能带结构的对比研究分析  53-54
    4.4.3 LaB_6、CaB_6介电函数的对比研究分析  54
    4.4.4 LaB_6、CaB_6反射谱和吸收谱的对比研究分析  54-56
  4.5 本章小结  56-57
第五章 含稀土LaB_6纳米粉末PVB涂层的制备及其光学特性研究  57-65
  5.1 PVB简单介绍  58
  5.2 纳米LaB_6/PVB隔热涂层的制备和性能研究  58-64
    5.2.1 纳米LaB_6/PVB隔热涂层的制备  59
    5.2.2 纳米LaB_6/PVB隔热涂层的光学特性  59-61
    5.2.3 纳米LaB_6/PVB隔热涂层的隔热效果  61-63
    5.2.4 纳米LaB_6/PVB隔热涂层的微观结构分析  63-64
    5.2.5 分析与讨论  64
  5.3 本章小结  64-65
第六章 结论  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71
附录  71

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质 > 光学性质
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