国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

相變及空位缺陷對高壓下BeO光學性質(zhì)的影響

2020-05-15 03:10:52鐘文富操秀霞孟川民
原子與分子物理學報 2020年2期
關鍵詞:點缺陷能隙光吸收

鐘文富,李 娜,操秀霞,何 林,孟川民

(1.四川師范大學物理與電子工程學院固體物理研究所,成都 610068;2.中國工程物理研究院流體物理研究所 沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室,綿陽 621900)

1 引 言

沖擊波動態(tài)高壓領域中的光譜和溫度實驗常常需要用到透明的光學窗口[1].因此,沖擊壓縮下窗口材料在可見光區(qū)能否保持透明的問題令人關注,因為這些信息對實驗結(jié)果的置信度影響重大[2].盡管Al2O3和LiF晶體是目前沖擊波實驗中常用的光學窗口材料[3,4],但由于實驗樣品具有不同的沖擊阻抗,所以人們需要探究一些新的透明窗口材料.常態(tài)下,氧化鈹(BeO)具有巨大的能隙(10.6 eV[5])以及寬波段的光學透明.同時,壓力因素還會使得其透明波段進一步增寬(其能隙值隨壓力升高而增大[6]).盡管如此,該材料能否成為沖擊波實驗中一種優(yōu)質(zhì)的候選窗口材料,關鍵在于沖擊壓縮下它是否在可見光區(qū)仍能保持良好的透明性.因為,除了壓力因素外,還存在其它兩種影響材料沖擊透明性的因素:(1)沖擊誘導的點缺陷,實驗研究表明,強沖擊壓縮下,固體材料中存在高濃度的空位點缺陷,且這些缺陷可能會在材料的能隙中產(chǎn)生缺陷電子態(tài),從而使材料的光吸收性發(fā)生變化[7,8].所以,空位點缺陷將對BeO晶體的光吸收譜造成什么影響是一個令人感興趣的問題.目前獲得的信息是,BeO晶體中氧空位點缺陷的形成能遠遠低于鈹空位點缺陷[9].由MgO和Al2O3等材料的計算數(shù)據(jù)和沖擊實驗數(shù)據(jù)的對比分析結(jié)果來看[10-12],本文只需研究氧空位點缺陷對BeO晶體吸收譜性質(zhì)的影響.(2)沖擊誘導的溫度,可能會導致材料的能隙發(fā)生變化從而影響材料的光吸收性(或透明性)[10,13,14].此外,早期研究預測壓力將導致BeO從纖鋅礦結(jié)構(gòu)(wurtzite,WZ)到閃鋅礦結(jié)構(gòu)(zincblend,ZB)再到巖鹽礦結(jié)構(gòu)(rocksalt,RS)的相變[15].但近期的計算卻表明壓力大約在107 GPa處[16,17],BeO將從WZ結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)變到RS結(jié)構(gòu),并沒有發(fā)生上述WZ→ZB→RS的結(jié)構(gòu)相變.BeO的WZ→RS高壓相變會對其光吸收譜產(chǎn)生什么影響值得研究.與此同時,BeO在沖擊壓縮下的折射率變化規(guī)律信息也需要研究,因為這些信息對正確解讀沖擊波實驗中的VISAR (velocity interferometer system for any reector)實驗數(shù)據(jù)至關重要[12,18,19].VISAR實驗通常采用波長為532 nm的光源[18,19],因此探究沖擊壓縮下BeO在該波長處折射率的變化規(guī)律有重要的科學價值.

基于上述理由,本文將采用第一性原理方法,在150 GPa的壓力范圍內(nèi)計算BeO理想晶體和含氧空位點缺陷晶體的光吸收譜和折射率.

2 模型與計算方法

由于BeO晶體在150 GPa 壓力范圍內(nèi)將經(jīng)歷纖鋅礦(WZ)到巖鹽礦(RS)的結(jié)構(gòu)相變.因而,本文理想晶體的計算中,采用了這兩種結(jié)構(gòu)的超原胞模型[6,20].研究表明[12],沖擊誘導的空位點缺陷濃度將隨沖擊壓力增大而升高.但在某一確切沖擊狀態(tài)下,空位缺陷濃度的具體信息并不清楚,本文只能定性地預測這些行為.由于僅在強沖擊壓縮下固體材料內(nèi)部才存在高濃度空位點缺陷[8]以及計算資源有限等原因,本文選取在120 GPa和150 GPa處實施缺陷計算.同時,這兩個壓力點處的計算分別采用了含64和32個原子的超原胞模型(分別對應不同的壓力點).在這兩個超原胞模型內(nèi)去掉一個氧原子,再加上相應的電荷,就獲得了濃度分別為1.56%和3.13%的含氧空位缺陷(VO、VO+1和VO+2)的晶體模型.檢驗計算表明,改變氧空位在超原胞內(nèi)位置對計算結(jié)果基本沒有影響.

計算是在Material Studio 7.0下的CASTEP模塊中完成的[21-23],并采用平面波超軟贗勢結(jié)合廣義梯度近似(GGA)的密度泛函理論方法來計算BeO晶體的光學性質(zhì)[24-26].用 GGA 的PBE 計算方案來處理電子間的交換關聯(lián)勢.幾何優(yōu)化采用了BFGS算法[27],優(yōu)化計算的精確度由下面條件控制:最大位移偏差為0.002 ?,最大應力偏差為0.1 GPa,原子間的相互作用力的收斂精度為0.05 eV /?,自洽收斂精度為2×10-5eV /atom.為了證實計算的收斂,平面波截斷能取為300 eV.對于WZ和RS結(jié)構(gòu)的理想晶體,K點分別設置為1×3×1和2×2×2 ,空帶數(shù)均為380.對于缺陷晶體的設置如下:壓強在120 GPa和150 GPa下的計算分別采用了空位濃度為1.56%和3.13%的模型,其K點設置為2×2×2和1×2×2,空帶數(shù)目分別為380和250條.另外需要說明的是,BeO在零壓下計算得到的能隙值低于實驗值[5]約3.6 eV.這種差異通常是由第一性原理計算理論的局限性造成,可以視為一種系統(tǒng)誤差[28].因此,本文的光學性質(zhì)計算數(shù)據(jù)還要考慮系統(tǒng)誤差修正.

3 計算結(jié)果與討論

3.1 吸收譜

按照引言中的討論,材料在沖擊壓縮下會在其內(nèi)部產(chǎn)生壓力、空位點缺陷和溫度.從圖1可以看出,(1)壓力因素會使得其吸收譜的吸收邊藍移,即壓力不會影響其在可見光區(qū)的透明性,且相對零壓下透明波段還將進一步增寬,這與前人結(jié)果相似[6].同時BeO晶體的高壓結(jié)構(gòu)相變對其吸收邊幾乎沒有影響.(2)空位缺陷因素:本文在120 GPa和150 GPa處對含VO、VO+1和VO+2三種氧空位點缺陷(壓力更大處對應的缺陷濃度更高)晶體實施了計算.結(jié)果表明,中性氧空位缺陷存在僅使得吸收邊出現(xiàn)微弱的紅移,+2價氧空位引起的紅移略微增強,+1價氧空位缺陷引起的紅移最為明顯,但這些氧空位所導致的吸收邊紅移并沒有引起在可見光區(qū)出現(xiàn)光吸收.(3)溫度因素將導致材料的能隙降低[13,14],從而使得其吸收譜的吸收邊進一步紅移.盡管如此,由于BeO材料的Hugoniot參數(shù)以及能隙隨溫度變化關系未知,我們還不能獲得其吸收譜溫度效應的準確信息.但如果BeO與Al2O3晶體吸收譜溫度效應相當,我們可以推測,即使考慮溫度效應,含氧空位的缺陷晶體在可見光區(qū)高波段仍可能保持透明.這些信息意味著,BeO晶體有可能成為沖擊實驗所需的窗口材料,值得開展進一步的實驗研究.

圖1 BeO晶體在高壓下的光吸收曲線Fig.1 Optical-absorption curves of BeO crystal at high pressure

3.2 折射率

圖2給出了高壓下BeO晶體在532 nm處折射率變化行為.理想晶體數(shù)據(jù)表明:(1) 在0 GPa處計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)[29]基本一致,說明本文計算結(jié)果是可信的.(2) 無論是在WZ還是RS結(jié)構(gòu)相區(qū),BeO材料折射率都將隨著壓力增大而緩慢降低.(3) 由WZ結(jié)構(gòu)到RS結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變將使得其折射率顯著增大.同時,缺陷晶體數(shù)據(jù)顯示:氧空位點缺陷的存在將使得BeO晶體折射率顯著增大.沖擊壓縮過程中,壓力增強將導致空位點缺陷濃度升高,這一行為會使得其折射率進一步增大.

圖2 BeO晶體在高壓下的折射率Fig.2 The refractive indexes of BeO crystal at high pressure

4 結(jié) 論

本文采用第一性原理方法,計算了BeO理想晶體和含氧空位點缺陷晶體在150 GPa的壓力范圍內(nèi)的光吸收譜和折射率,獲得如下認識:

(1)BeO晶體吸收譜的吸收邊隨壓力增大而出現(xiàn)藍移現(xiàn)象,即壓力因素不會影響其在可見光區(qū)的透明性,且相對零壓下透明波段還將進一步增寬.BeO晶體的高壓結(jié)構(gòu)相變對其吸收邊幾乎沒有影響.此外,氧空位點缺陷會導致其吸收邊顯著紅移,但在可見光區(qū)仍沒有光吸收存在(是透明的).

(2)在BeO的WZ和RS結(jié)構(gòu)相區(qū),其折射率會隨著壓力增加而緩慢降低,而高壓結(jié)構(gòu)相變和氧空位缺陷將使得其折射率顯著增大.本文的計算結(jié)果表明,BeO晶體有成為沖擊窗口材料的潛力,建議展開進一步的實驗研究.

猜你喜歡
點缺陷能隙光吸收
高效硫硒化銻薄膜太陽電池中的漸變能隙結(jié)構(gòu)*
物理學報(2021年12期)2021-07-01 09:42:56
金紅石型TiO2中四種點缺陷態(tài)研究
Bogoliubov-Tolmachev-Shirkov模型臨界溫度和能隙解的數(shù)值方法
Fe-Cr-Ni合金中點缺陷形成及相互作用的第一性原理研究
GaN中質(zhì)子輻照損傷的分子動力學模擬研究
多元稀土硼化物Ce1-xNdxB6的制備及性能研究*
功能材料(2016年1期)2016-05-17 03:38:24
三甲基硅雙苯乙炔取代噻咯的合成及聚集態(tài)誘導發(fā)光
鑲嵌納米晶硅的氧化硅薄膜微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整及其光吸收特性
自旋三重態(tài)Sr2RuO4超導能隙的p波對稱性
1060鋁箔表面白點缺陷的分析
墨竹工卡县| 闸北区| 永德县| 盐津县| 随州市| 唐山市| 凯里市| 福建省| 南郑县| 和顺县| 成武县| 白城市| 长寿区| 泾阳县| 涿州市| 集贤县| 同江市| 承德市| 吉木乃县| 三河市| 宁陕县| 临洮县| 惠东县| 盐城市| 读书| 崇信县| 财经| 百色市| 云霄县| 麻阳| 遂溪县| 潜山县| 莫力| 洛阳市| 垫江县| 深水埗区| 寿宁县| 蓬莱市| 铜山县| 龙海市| 响水县|