主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
稀土金属Yb掺杂MgF2电子结构和光学性质的第一性原理研究
小类:
能源化工
简介:
研究稀土金属Yb掺杂前后MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。计算结果表明稀土金属Yb替代Mg位的掺杂,在导带底出现杂质带,但体系禁带宽度几乎不变。基于优化后的晶体结构,计算了体系的介电函数及吸收光谱。该结果与实验吻合较好。通过对比得出,MgF2晶体掺杂后的优越性能主要源于Yb原子本身f↔d之间的跃迁,该机理与过渡金属掺杂有本质的不同。
详细介绍:
采用基于密度泛函理论LDA的超软赝势能带计算,研究了稀土金属Yb掺杂前后MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。计算结果表明稀土金属Yb替代Mg位的掺杂,在导带底出现杂质带但体系禁带宽度几乎不变。由于Yb的掺杂使得费米面上移,造成了杂质能带和导带出现部分重叠,因此杂质能带中的少部分电子在其它对称点发生跃迁,使跃迁能量减小,从而提高了晶体光学吸收性能。基于优化后的晶体结构,计算了体系的介电函数及吸收光谱。在吸收光谱中在230.46nm和334.26nm两处出现较强的吸收峰,该结果与实验吻合较好。通过对比得出,MgF2晶体掺杂后的优越性能主要源于Yb原子本身f↔d之间的跃迁,该机理与过渡金属掺杂有本质的不同。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

目 的:探究Yb掺杂MgF2电子结构和光学特性等的基本机理。揭示Yb掺杂MgF2体系在光学元器件等方面的潜在应用。基本思路:以MgF2单胞为基础,建立3×2×1的超原胞模型。利用第一性原理平面波超软赝势方法,计算一个Yb原子取代超原胞中的一个Mg原子后的几何机构、电子结构和光学性质。所得结果与实验结果进行比较,对掺杂后材料性质及物理机理进行分析。

科学性、先进性及独特之处

科学性:第一性原理是一种广泛应用于物理、化学、材料、生命科学等领域的理论研究方法。先进性:对 MgF2进行掺杂,是改良其优异性能的有效途径。三价稀土元素在固体激光器、上转换材料、光纤放大器等中有较好的应用,而稀土中以二价的Sm、Eu、Yb稳定性最佳。独特之处: Yb掺杂MgF2晶体后的优越性能主要源于Yb原子本身f↔d之间的跃迁,该机理与过渡金属掺杂有本质的不同。

应用价值和现实意义

稀土金属Yb掺杂MgF2作用机理与过渡金属掺杂MgF2的作用机理有着本质的不同,揭示了其性能的优越性在固体激光器及光学棱镜、透镜和窗口材料等方面的潜在应用,为实验工作者和新材料的掺杂提供了参考。

学术论文摘要

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,研究稀土金属Yb掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。发现Yb掺杂MgF2晶体在导带底出现杂质能带,且掺杂后晶体在230.46nm和334.26nm两处出现较强的吸收峰,该结果与实验吻合较好。另外,通过分析得出Yb掺入扩大了F-s态且使F-S态与P态发生重叠,MgF2晶体掺杂后的优越性能主要源于Yb原子f↔d态之间的跃迁,该机理与过渡金属掺杂有本质的不同。

获奖情况

该作品在2011年1月在某校学报发表。

鉴定结果

本文利用第一性原理模拟计算,通过对掺杂后晶体的几何结构、电子结构和光学性质的分析。通过对其出现的优越性能给出了合理的机理解释,为新材料的合成提供了一定的理论指导。

参考文献

[1] Xie L H,Qiu M.Correlation between optical spectrum, electron paramagnetic resonance spectrum and local structure of MnF2:Mn2+[J]. Acta.Phys.Sin.2005,54:5845 [2] 崔益本,姜芸芸,纪玉峰,Co:MgF2光谱性质与可调谐激光技术[J] 光电子技术与信息.1995,8:6 [3] Hou B.H.,Shao M.,Xu X.L.,Wang L.,Wang G.Y.,Fan Z.D.THz spectra study of MgF2 crystals [J]. Acta.Phys.Sin.2007,56:1370 [4] Rines D.M.,Moulton P.F.,Welford,Rines G.A.High-energy operation of a Co:MgF2 laser[J]. Opt.Lett.1994,19:9 [5] Welford D,Moulton P.F.Study on laser crystals of germinate[J]. Opt.Lett.1997,13:975 [6] 李强,杜记民,王爱志,王宝云,稀土-过渡金属共掺杂 纳米材料:结构和光催化性能[J] 化学新型材料. 2010,38:79 [7] S.Lizzo,A.Meijerink,G.J.Dirksen,G.Blasse.Luminescence of divalent ytterbium in magnesium fluoride crystals[J].Journal of Luminescence 63 (1995) 223-234 [8] A.Bensalah,M.Nikl,E.Mihokova,et.al.Luminescence and decay kinetics of Yb2+ in LiCaAlF6 single crystal host[J].Radiation Measurements 38 (2004) 545-548 [9] 玛丽杨,董发勤,边亮,张伟,代群威,刘永刚,稀土掺杂板钛矿的光催化活性的第一性原理研究[J] 矿物学报. 2010,30:3

同类课题研究水平概述

发展概况: 1、可调谐固体激光器得到了长足发展,在工业,医学和军工项目中得到了广泛应用,得益于宽禁带激发。 2、高纯度的氟化镁已经成为光学透镜、激光元件、集成光学和光纤通讯等领域的重要光学镀膜材料。作为非常规催化载体,也使得氟化镁成为人们十分关注的研究对象[1]。 3、环保方面,氟化镁具有很好的催化活性,因而氟化镁及其相关材料越来越受到人们的青睐[2,3]。研究概况: 1、为开发其优异性能,氟化镁的调制掺杂成为近期研究热点,其中过渡金属掺杂,如Mn、Co、Ni 等[4-11],成为调制的重点,且部分给出了理论计算。 2、进行稀土掺杂,当前在其他半导体材料中有成功掺杂的案例[11-15]。 3、三价稀土金属离子在固体掺杂中构成发射中心,其在固体激光器、上转换材料、光纤放大器等方面有很好的应用[16-18] 然而,稀土金属离子在二价电荷状态更加稳定,特别是钐(Sm),铕(Eu)和镱(Yb)的二价电荷状态相当稳定。 4、Yb2+离子的发光范围从紫外光到可见光。其中实验上观测到MgF2:Yb2+晶体发光中心为324nm[19,20] 但是,在理论方面,目前为止未有理论对MgF2:Yb2+晶体结构及光学性质的物理机理进行研究。
建议反馈 返回顶部