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
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 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
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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。
