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基本信息
- 項目名稱：
- 稀土金屬Yb摻雜MgF2電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 研究稀土金屬Yb摻雜前后MgF2晶體的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。計算結(jié)果表明稀土金屬Yb替代Mg位的摻雜，在導(dǎo)帶底出現(xiàn)雜質(zhì)帶,但體系禁帶寬度幾乎不變?；趦?yōu)化后的晶體結(jié)構(gòu)，計算了體系的介電函數(shù)及吸收光譜。該結(jié)果與實驗吻合較好。通過對比得出，MgF2晶體摻雜后的優(yōu)越性能主要源于Yb原子本身f?d之間的躍遷，該機理與過渡金屬摻雜有本質(zhì)的不同。
- 詳細介紹：
- 采用基于密度泛函理論LDA的超軟贗勢能帶計算，研究了稀土金屬Yb摻雜前后MgF2晶體的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。計算結(jié)果表明稀土金屬Yb替代Mg位的摻雜，在導(dǎo)帶底出現(xiàn)雜質(zhì)帶但體系禁帶寬度幾乎不變。由于Yb的摻雜使得費米面上移，造成了雜質(zhì)能帶和導(dǎo)帶出現(xiàn)部分重疊，因此雜質(zhì)能帶中的少部分電子在其它對稱點發(fā)生躍遷，使躍遷能量減小，從而提高了晶體光學(xué)吸收性能?；趦?yōu)化后的晶體結(jié)構(gòu)，計算了體系的介電函數(shù)及吸收光譜。在吸收光譜中在230.46nm和334.26nm兩處出現(xiàn)較強的吸收峰，該結(jié)果與實驗吻合較好。通過對比得出，MgF2晶體摻雜后的優(yōu)越性能主要源于Yb原子本身f?d之間的躍遷，該機理與過渡金屬摻雜有本質(zhì)的不同。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目 的：探究Yb摻雜MgF2電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性等的基本機理。揭示Yb摻雜MgF2體系在光學(xué)元器件等方面的潛在應(yīng)用?；舅悸罚阂訫gF2單胞為基礎(chǔ)，建立3×2×1的超原胞模型。利用第一性原理平面波超軟贗勢方法，計算一個Yb原子取代超原胞中的一個Mg原子后的幾何機構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。所得結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，對摻雜后材料性質(zhì)及物理機理進行分析。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 科學(xué)性：第一性原理是一種廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的理論研究方法。先進性：對 MgF2進行摻雜，是改良其優(yōu)異性能的有效途徑。三價稀土元素在固體激光器、上轉(zhuǎn)換材料、光纖放大器等中有較好的應(yīng)用，而稀土中以二價的Sm、Eu、Yb穩(wěn)定性最佳。獨特之處： Yb摻雜MgF2晶體后的優(yōu)越性能主要源于Yb原子本身f?d之間的躍遷，該機理與過渡金屬摻雜有本質(zhì)的不同。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 稀土金屬Yb摻雜MgF2作用機理與過渡金屬摻雜MgF2的作用機理有著本質(zhì)的不同，揭示了其性能的優(yōu)越性在固體激光器及光學(xué)棱鏡、透鏡和窗口材料等方面的潛在應(yīng)用，為實驗工作者和新材料的摻雜提供了參考。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理平面波超軟贗勢方法,研究稀土金屬Yb摻雜MgF2晶體的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)Yb摻雜MgF2晶體在導(dǎo)帶底出現(xiàn)雜質(zhì)能帶，且摻雜后晶體在230.46nm和334.26nm兩處出現(xiàn)較強的吸收峰，該結(jié)果與實驗吻合較好。另外，通過分析得出Yb摻入擴大了F-s態(tài)且使F-S態(tài)與P態(tài)發(fā)生重疊，MgF2晶體摻雜后的優(yōu)越性能主要源于Yb原子f?d態(tài)之間的躍遷，該機理與過渡金屬摻雜有本質(zhì)的不同。
獲獎情況
- 該作品在2011年1月在某校學(xué)報發(fā)表。
鑒定結(jié)果
- 本文利用第一性原理模擬計算，通過對摻雜后晶體的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的分析。通過對其出現(xiàn)的優(yōu)越性能給出了合理的機理解釋，為新材料的合成提供了一定的理論指導(dǎo)。
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 發(fā)展概況： 1、可調(diào)諧固體激光器得到了長足發(fā)展，在工業(yè)，醫(yī)學(xué)和軍工項目中得到了廣泛應(yīng)用，得益于寬禁帶激發(fā)。 2、高純度的氟化鎂已經(jīng)成為光學(xué)透鏡、激光元件、集成光學(xué)和光纖通訊等領(lǐng)域的重要光學(xué)鍍膜材料。作為非常規(guī)催化載體，也使得氟化鎂成為人們十分關(guān)注的研究對象[1]。 3、環(huán)保方面，氟化鎂具有很好的催化活性，因而氟化鎂及其相關(guān)材料越來越受到人們的青睞[2,3]。研究概況： 1、為開發(fā)其優(yōu)異性能，氟化鎂的調(diào)制摻雜成為近期研究熱點，其中過渡金屬摻雜，如Mn、Co、Ni 等[4-11]，成為調(diào)制的重點，且部分給出了理論計算。 2、進行稀土摻雜，當(dāng)前在其他半導(dǎo)體材料中有成功摻雜的案例[11-15]。 3、三價稀土金屬離子在固體摻雜中構(gòu)成發(fā)射中心，其在固體激光器、上轉(zhuǎn)換材料、光纖放大器等方面有很好的應(yīng)用[16-18] 然而，稀土金屬離子在二價電荷狀態(tài)更加穩(wěn)定，特別是釤（Sm），銪（Eu）和鐿（Yb）的二價電荷狀態(tài)相當(dāng)穩(wěn)定。 4、Yb2+離子的發(fā)光范圍從紫外光到可見光。其中實驗上觀測到MgF2:Yb2+晶體發(fā)光中心為324nm[19,20] 但是，在理論方面，目前為止未有理論對MgF2:Yb2+晶體結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的物理機理進行研究。
