劉林鳳，張?jiān)?，邱曉燕，羅婭

西南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息存儲(chǔ)的高密化和高速化逐步成為必然要求．光學(xué)體全息存儲(chǔ)技術(shù)因具有高存儲(chǔ)密度、高冗余度、并行尋址和快速存取等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為新一代存儲(chǔ)方案[1]．以優(yōu)良光折變特性著稱的鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)是實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)的首選材料之一．純LiNbO3晶體在存取過程中信息易揮發(fā)，為此人們選擇在LiNbO3晶體中摻入兩種光折變離子使其禁帶內(nèi)形成兩個(gè)光折變陷阱中心，進(jìn)而在LiNbO3晶體中實(shí)現(xiàn)持久性全息存儲(chǔ)．

在1998年，Buse等人[1]已經(jīng)利用Fe和Mn雙摻LiNbO3晶體實(shí)現(xiàn)了信息的非揮發(fā)性存儲(chǔ)；Yue等人[2]在Mn和Ce雙摻的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中觀察到明顯的光致變色效應(yīng)，這與雙中心持久性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有關(guān)；Kang等人[3]測(cè)量了Ce和Mn雙摻LiNbO3的光伏常數(shù)和光電導(dǎo)率；Wang等人[4]分析了Li與Nb不同摩爾比的條件下Ce和Mn雙摻LiNbO3晶體的光學(xué)性質(zhì)．盡管Mn和Ce雙摻LiNbO3晶體在存儲(chǔ)時(shí)間和靈敏度等方面表現(xiàn)良好，但存在響應(yīng)時(shí)間長、光致散射嚴(yán)重等不利影響，嚴(yán)重影響該材料的實(shí)際應(yīng)用[5]，加入Zn或Mg等抗光損傷元素能有效改善這些問題[6]．實(shí)驗(yàn)上關(guān)于Mn和Ce，Mn和Fe雙摻LiNbO3晶體的光學(xué)性質(zhì)和存儲(chǔ)的研究較為常見，但Mn和Ce雙摻或Mn，Ce和Zn三摻晶體內(nèi)部電荷遷移等機(jī)制(如雜質(zhì)元素占位、電子躍遷機(jī)制)的研究鮮有報(bào)道．

本研究利用第一性原理，分別計(jì)算了Mn和Ce單摻、雙摻及Mn，Ce和Zn三摻等多種摻雜LiNbO3體系的能帶、電子結(jié)構(gòu)以及吸收光譜，希望通過研究電荷躍遷機(jī)理，更好地為體全息存儲(chǔ)器性能優(yōu)化、參數(shù)設(shè)置等提供理論和數(shù)據(jù)支持．

1 晶體模型與計(jì)算方法

表1 LiNbO3晶體中各原子坐標(biāo)

依據(jù)晶格參量、原子坐標(biāo)建立了化學(xué)計(jì)量比的LiNbO3晶體2×2×1超胞模型．該模型共包含120個(gè)原子，其中Li原子、Nb原子及O原子的個(gè)數(shù)分別為24，24和72．本研究利用基于第一性原理的Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP)軟件包對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和計(jì)算[8]．過程中采用廣義梯度近似(generalized gradient approximation，GGA)中的PW91泛函和平面波超軟贗勢(shì)相結(jié)合的方法，電子間相互作用的交換-相關(guān)勢(shì)由GGA進(jìn)行修正，由于GGA考慮了空間點(diǎn)r處的電子密度及該處密度梯度，引入了非定域性和非均勻性，相較于利用局域密度近似(local-deasity approximation，LDA)方法處理，其結(jié)果更為精確[9-10]．多電子體系波函數(shù)通過平面波基矢組展開，為了盡可能減少平面波基矢數(shù)量，使電子軌道波函數(shù)在離子實(shí)內(nèi)部的分布盡量平緩，采用超軟贗勢(shì)來描述離子實(shí)與價(jià)電子間的相互作用勢(shì)[11]．計(jì)算中各原子的價(jià)電子組態(tài)分別選?。篖i 2s1，O 2s22p4，Nb 4d45s1，Mn 3d54s2，Ce 4f15d16s2，Zn 3d104s2．

能量計(jì)算在倒易K空間中進(jìn)行[12]，通過平面波截?cái)嗄?Ecut)的選取來改變平面波基矢的數(shù)量，由此改變計(jì)算精度，同時(shí)運(yùn)用快速傅里葉變換技術(shù)，使能量、作用力等計(jì)算在實(shí)空間和倒空間快速轉(zhuǎn)換，進(jìn)而保證計(jì)算的精確度和效率．計(jì)算過程中設(shè)置Ecut=400 eV[13]，對(duì)于電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算選取3×3×1的Monkhorst-Pack的特殊K矢對(duì)Brillouin區(qū)進(jìn)行積分求和．所有模型在計(jì)算之前，都應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化．考慮到理論計(jì)算的需要與軟件包的局限性，幾何優(yōu)化的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置如下：自洽精度為每個(gè)原子2×10-6eV，原子間相互作用力不應(yīng)大于0.5 eV/nm；晶體內(nèi)應(yīng)力為0.1 GPa，原子最大位移收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-4nm，相關(guān)參量的取值與對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合[14]．幾何優(yōu)化過程中，當(dāng)且僅當(dāng)這些參量同時(shí)收斂時(shí)，迭代停止，優(yōu)化結(jié)束．

在純LiNbO3晶體中摻入兩種光折變?cè)鰪?qiáng)離子Mn2+和Ce4+，以及抗光折變?cè)鰪?qiáng)離子Zn2+，在晶體中分別顯示為 +2、+4、+2價(jià)[15-17]．對(duì)于摻雜LiNbO3晶體模型的構(gòu)建，關(guān)鍵在于摻雜劑的占位．本研究中摻雜離子占位機(jī)制均基于LiNbO3晶體的本征缺陷結(jié)構(gòu)為認(rèn)同度最高的鋰空位模型[6]．低濃摻雜情況下，+2價(jià)和+4價(jià)的離子進(jìn)入晶格后優(yōu)先占據(jù)Li位，并隨之產(chǎn)生一定數(shù)量的鋰空位來平衡電荷；當(dāng)雜質(zhì)離子濃度度較高時(shí)，它將同時(shí)取代晶格中的Li+和Nb5+，并形成相應(yīng)電荷自補(bǔ)償集團(tuán)[6，18]．實(shí)際運(yùn)用中，Mn2+和Ce4+的摻量一般都處于低濃度范圍[1](摩爾分?jǐn)?shù)小于1.00%)，故通過取代Li位方式進(jìn)入晶格，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的空位；在共摻時(shí)，Ce4+價(jià)態(tài)相對(duì)較高，較其他摻雜離子更易先占Nb位；摻雜離子同時(shí)占據(jù)Nb和Li位時(shí)，電荷平衡通過自補(bǔ)償調(diào)節(jié)，減少晶體的畸變，晶體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[19]．抗光折變Zn2+離子低于閾值摩爾分?jǐn)?shù)(約7.00%)時(shí)占Li位，當(dāng)達(dá)到7.00%還將進(jìn)入Nb位．

將單摻Mn2+和Ce4+模型分別記為LNⅠ和LNⅡ；兩者雙摻記為LNⅢ；Mn2+和Ce4+加上小于閾值的Zn2+模型記為LNⅣ；三摻中Zn2+摩爾分?jǐn)?shù)超過閾值模型記為LNⅤ．各摻雜樣品的占位及電荷補(bǔ)償形式見表2，所建立的超晶胞模型見圖1．

表2 各摻雜樣品的占位和電荷補(bǔ)償

圖1 各樣本的晶胞模型

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

對(duì)各模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化，表3列出了純LiNbO3晶體晶格常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與優(yōu)化結(jié)果[20]，兩者的誤差在2%左右，在模擬計(jì)算允許的誤差范圍內(nèi)[21]，表明所建模型與晶體實(shí)際結(jié)構(gòu)吻合較好．圖2為各結(jié)構(gòu)體系總能量隨迭代次數(shù)的變化關(guān)系圖，各體系總能量在優(yōu)化進(jìn)程中逐漸減小，最終都趨于定值，表明晶體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)．表3和圖2的結(jié)果表明該理論研究的模型基礎(chǔ)、采用的計(jì)算方法、優(yōu)化參數(shù)設(shè)置等均是合理的．

表3 純LiNbO3 晶體常數(shù)優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值

圖2 各體系優(yōu)化能量迭代情況

2.2 LiNbO3晶體及摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)

各體系的能帶結(jié)構(gòu)見圖3．圖3a顯示純LiNbO3晶體的禁帶寬度為3.51 eV，該值與Xu等人[22]給出的計(jì)算值3.50 eV相當(dāng)，較實(shí)驗(yàn)值3.78 eV[23]略低，但這并不會(huì)給我們對(duì)晶體電子結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析帶來影響．摻雜使得晶體氧八面體結(jié)構(gòu)畸變加大，內(nèi)部對(duì)稱性有所降低，各體系呈現(xiàn)不同程度的分裂．除單摻Ce4+的樣本外，其余摻雜樣本的能帶結(jié)構(gòu)均向低能方向移動(dòng)且?guī)秾挾茸冋畧D3b和圖3c顯示，單摻Mn2+晶體和單摻Ce4+晶體在費(fèi)米能級(jí)(定義0 eV為費(fèi)米能級(jí))附近出現(xiàn)幾條較窄各自的缺陷能級(jí)．雙摻Mn2+和Ce4+樣本的帶寬約為 3.06 eV(圖3d)，其雜質(zhì)能級(jí)主要分布在費(fèi)米能級(jí)附近，數(shù)量有所增加．從圖3e和圖3f中可以觀察到，與雙摻樣品相比，三摻體系禁帶寬度進(jìn)一步變窄，LNⅣ中帶寬降至2.38 eV，LNⅣ帶寬為2.66 eV；雜質(zhì)能級(jí)位置有所變化．

電子態(tài)密度能夠揭示晶體內(nèi)部電子躍遷、原子軌道相互作用、成鍵情況等多方面信息．各模型禁帶附近的態(tài)密度見圖4．Li+的電子主要分布在遠(yuǎn)離禁帶的-42 eV附近，該峰峰型尖銳，軌道局域性強(qiáng)，本研究不考慮摻雜對(duì)它的影響．從圖4a可以看出，純LiNbO3晶體的能帶結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶部分幾乎由Nb 4d軌道上的電子貢獻(xiàn)；價(jià)帶由O 2p和Nb 4d兩軌道電子共同構(gòu)成，兩者軌道在-5～0.5 eV區(qū)間內(nèi)能量接近，軌道間易發(fā)生雜化，據(jù)化學(xué)鍵成鍵理論[15]，兩原子間以共價(jià)鍵連接．從圖4b至圖4e可以看出，在氧八面體的晶體場(chǎng)中Mn2+的3d軌道發(fā)生分裂，形成Eg和T2g兩個(gè)軌道[20]．圖4b LNⅠ樣品中，費(fèi)米能級(jí)主要由Mn2+的T2g軌道電子構(gòu)成；Mn2+的3d軌道少量電子與O 2p以及Nb 4d軌道電子在-8～-2 eV區(qū)間交疊，形成共價(jià)鍵，共同組成價(jià)帶，導(dǎo)帶部分以Nb 4d軌道電子貢獻(xiàn)為主，Mn2+的Eg軌道電子貢獻(xiàn)為輔．相較圖4a圖，價(jià)帶和導(dǎo)帶能量均朝低能方向有所移動(dòng)，與圖3的能帶結(jié)構(gòu)圖相對(duì)應(yīng)．單摻Ce4+的LNⅡ樣品中，O和Nb等元素對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶的作用基本同純LiNbO3樣品一致；Ce 4f軌道的電子在2.6 eV附近形成一個(gè)尖銳且寬度較窄的峰形，說明Ce以離子鍵的形式存在于晶體中，另外6s和5d軌道電子(約在-33，-19～-13 eV)遠(yuǎn)離禁帶，在光折變過程中不考慮這兩軌道電子的影響．圖4d雙摻樣品中，由于摻雜離子間的相互影響，晶體電荷自補(bǔ)償，導(dǎo)致Ce4+進(jìn)入晶體的占位較單摻時(shí)發(fā)生改變，其態(tài)密度峰向低能方向移動(dòng)了3 eV 左右，使得該軌道與Mn2+的T2g軌道產(chǎn)生部分交疊，導(dǎo)帶與價(jià)帶組成成分與前幾種樣品相同．如圖4e和圖4f所示，當(dāng) Zn2+低于閾值或略高于閾值濃度，該離子在費(fèi)米能級(jí)附近幾乎沒有貢獻(xiàn)，其軌道電子主要集于-8～-2 eV之間，局域性較弱，與O 2p軌道雜化，表明Zn和O兩者間具有共價(jià)性；受Zn2+影響Ce 4f 軌道發(fā)生分裂，形成4f1和4f2兩個(gè)軌道．

圖3 各體系能帶結(jié)構(gòu)

圖4 各樣本禁帶附近態(tài)密度

2.3 LiNbO3晶體及摻雜體系的光學(xué)性質(zhì)

固體物理中，線性響應(yīng)范圍內(nèi)，晶體的光學(xué)特性主要是由頻率的介電函數(shù)ε(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)決定，其中ε1和ε2分別表示介電函數(shù)的實(shí)部與虛部，可由Kramers-Kr?nig色散關(guān)系推導(dǎo)得到[8，24]．晶體的折射率n和吸收系數(shù)α可以通過計(jì)算得到：

晶體光學(xué)特性計(jì)算基于優(yōu)化模型，并利用0.27 eV的剪刀算符進(jìn)行修正，使理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更相符．各樣本在可見-近紅外吸收光譜見圖5．LiNbO3晶體的基礎(chǔ)吸收邊決定于電子從O 2P軌道向Nb 4d軌道轉(zhuǎn)移躍遷所需的能量[18]，各摻雜體系吸收邊較純樣本都表現(xiàn)出不同程度的紅移現(xiàn)象．該現(xiàn)象與O原子電子云的形變密切相關(guān)，而其形變強(qiáng)弱取決于陽離子的極化能力，能力越大，周圍O2-電子云發(fā)生變形越大，使得電子躍遷所需能量降低．陽離子極化能力大小可用有效荷電數(shù)(Z*)的平方與離子半徑(r)的比值Z*2/r近似度量[18]，本研究涉及的陽離子極化能力從大到小順序?yàn)镹b5+(58.51)、Mn2+(34.45)、Ce4+(32.88)、Zn2+(14.72)、Li+(2.49)，譜線中摻雜樣本吸收紅移均來自摻雜離子的極化能力高于原陽離子Li+；LNⅤ的吸收邊較其他摻雜樣本紫移，是由于摻雜離子占據(jù)了極化能力更高的Nb5+位．

圖5 各樣本的可見近紅外吸收光譜

由于純晶體帶寬為3.51 eV，大于可見光范圍內(nèi)的光子能量，故其在此區(qū)間沒有產(chǎn)生光吸收．雜質(zhì)的摻入使得晶體禁帶間產(chǎn)生缺陷能級(jí)，在可見光區(qū)產(chǎn)生了明顯的光吸收．

摻Mn2+的LNⅠ晶體分別在1.63 eV(760 nm)、2.97 eV(418 nm)以及3.30 eV(376 nm)處出現(xiàn)了吸收峰．文獻(xiàn)[25]指出1.63 eV處的峰與本征缺陷小極化子吸收峰位置相符，推測(cè)其為晶體的本征缺陷結(jié)構(gòu)引起．但考慮到計(jì)算結(jié)果中的以下因素：1.63 eV處的特征吸收出現(xiàn)在摻Mn2+后的晶體中，而純樣品中沒有；結(jié)合態(tài)密度圖4b，1.63 eV 峰對(duì)應(yīng)Mn2+的T2g軌道電子向?qū)У能S遷，這里認(rèn)為1.63 eV處的吸收與Mn2+相關(guān)．其余兩處吸收峰(2.97 eV和3.30 eV)與電子從價(jià)帶頂Mn2+軌道向?qū)У能S遷所需能量相吻合．波峰處于2.75～3.10 eV 區(qū)間且頂峰在2.97 eV左右的吸收峰，與報(bào)道給出的Mn2+缺陷能級(jí)深度2.80 eV左右較吻合[6，26]．頂峰位于3.30 eV的峰處于3.20～3.45 eV區(qū)間，此峰與應(yīng)用中選取3.40 eV作門光束的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)相符[27]．

摻Ce4+的LNⅡ樣本在3.05 eV(407 nm)及1.38 eV(898 nm)兩處產(chǎn)生強(qiáng)吸收．前一個(gè)峰與報(bào)道給出的Ce4+在3.10 eV位置產(chǎn)生特征吸收高度吻合[18]，聯(lián)系能級(jí)結(jié)構(gòu)圖3c和密度分布圖4c，該峰形成于價(jià)帶上的電子朝Ce 4f軌道的躍遷；1.38 eV處的吸收處于近紅外波段，根據(jù)態(tài)密度圖4c知道該峰是Ce 4f軌道電子向Nb 4d軌道躍遷的結(jié)果．

在Mn2+和Ce4+雙摻樣本LNⅢ中，由于雜質(zhì)離子種類增加以及離子間相互作用，其吸收峰狀態(tài)較單摻系統(tǒng)有所改變，在可見光-紅外波段共出現(xiàn)4處吸收峰：3.34 eV(371 nm)，2.87 eV(432 nm)，2.42 eV(512 nm)，1.42 eV(873 nm)．通過與單摻樣品對(duì)比及態(tài)密度圖可知，前兩峰歸于Mn2+的特征吸收，較單摻樣品吸收位略微偏移．2.87 eV 與Mn2+和Ce4+雙摻實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)在2.76 eV(范圍為2.70～2.93 eV)的吸收接近，該峰被證實(shí)與Mn2+有關(guān)[27]．結(jié)合態(tài)密度圖4d，2.42 eV是電子由Ce軌道電子向?qū)кS遷的結(jié)果，但在Ce2+單摻LiNbO3樣品中卻沒有出現(xiàn)2.42 eV附近的吸收；另外，Mn2+和Ce4+雙摻相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)此峰與Ce3+的特征吸收相關(guān)[18，28]；本文計(jì)算模型中，在單摻Ce4+、雙摻Mn2+和Ce4+LiNbO3樣品里Ce離子均以Ce4+的形式摻入．因此，有理由認(rèn)為，雙摻Mn2+和Ce4+LiNbO3樣品中存在電子在兩離子間的遷移：

Mn2++ Ce4+→ Mn3++ Ce3+

(3)

這就很好地解釋了單摻Ce4+LiNbO3樣品中1.38 eV 處的吸收峰在雙摻樣品中“消失”，而雙摻Mn2+和Ce4+樣品中出現(xiàn)單摻樣品所沒有的2.42 eV 附近的吸收峰．關(guān)于1.42 eV附近的吸收，對(duì)應(yīng)電子從Mn T2g軌道Nb 4d 能級(jí)躍遷的結(jié)果，相比單摻Mn樣品，位置略有移動(dòng)，吸收強(qiáng)度有所下降．

在LNⅣ中，吸收峰數(shù)量和位置較雙摻Mn2+和Ce4+LiNbO3樣品均有所變化．3.13 eV(396 nm)、2.73 eV(454 nm)、2.38 eV(521 nm)的吸收峰較雙摻體系向低能方向移動(dòng)，而1.65 eV(752 nm)處的吸收峰則是向高能方向偏移的結(jié)果．該光譜中新增1.90 eV(653 nm)的吸收峰，由態(tài)密度圖4e判斷，此峰主要源于Ce軌道分裂形成的 4f2軌道電子向?qū)У能S遷．

當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到閾值時(shí)，對(duì)比LNⅣ樣品，在LNⅤ中發(fā)現(xiàn)吸收曲線發(fā)生顯著變化：3.13 eV 附近的峰不顯現(xiàn)，這是由于受高摻Zn2+的影響，發(fā)生紅移的吸收邊與3.13 eV的弱峰相疊加，掩蓋了此處不明顯的吸收；樣品吸收峰出現(xiàn)在2.87eV(432 nm)、2.42 eV(512 nm)、1.78 eV(697 nm)和1.53 eV(810 nm)附近．前兩處的吸收與LNⅣ中2.73 eV和2.38 eV相比，半峰寬變窄，峰型更加凸顯；2.42 eV與1.78 eV兩峰分隔更明顯，重疊部分大幅度減少，使2.42 eV的峰型銳利度增強(qiáng)；1.53 eV的吸收強(qiáng)度較雙摻以及三摻體系(Zn摩爾分?jǐn)?shù)未達(dá)到閾值)顯著提高．

本研究的樣品中，位于2.87 eV和2.42 eV左右的峰，分別對(duì)應(yīng)Mn和Ce兩功能性離子的吸收，在應(yīng)用中常分別充當(dāng)深、淺能級(jí)．與LNⅢ和LNⅣ樣品比較，LNⅤ中2.87 eV 吸收峰峰形顯現(xiàn)且相對(duì)突出，在用作全息存儲(chǔ)中擦除光時(shí)，峰形的顯現(xiàn)對(duì)確切波長的選取是十分重要的[29]．另外，在LNⅤ中，兩峰間距較大，分隔更明顯，可以避免使用2.42 eV對(duì)應(yīng)的藍(lán)綠光讀取時(shí)對(duì)存儲(chǔ)于深能級(jí)的信息造成破壞．

除了可以利用接近報(bào)道數(shù)據(jù)的深能級(jí)約2.87 eV和淺能級(jí)約2.42 eV外，2.42 eV(Ce)和1.53 eV(Mn)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)分別作為深、淺中心也是一種具有潛力的選擇．從吸收譜看，LNⅤ中Mn2+在1.53 eV 附近具有強(qiáng)吸收特點(diǎn)，有利于信息的記錄和讀?。鈻叛苌湫?η)是全息存儲(chǔ)技術(shù)中重要的參量，定義為衍射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)的比值．每張全息圖的衍射效率可近似表示為[30-31]：

(4)

(5)

其中：τW表示記錄時(shí)間常數(shù)，τe為擦除時(shí)間常數(shù)，M代表全息圖數(shù)目，M/#代表動(dòng)態(tài)范圍，λ記錄光波長，L是樣品厚度，θ為布拉格角，Δn為折射率調(diào)制度，neff表示晶體有效折射率，γeff為有效電光系數(shù)．動(dòng)態(tài)范圍M/#和靈敏度S是雙光全息存儲(chǔ)的兩個(gè)重要性能參量，結(jié)合(4)式可表示為

(6)

(7)

公式(6)和(7)表明，記錄進(jìn)程中，光吸收的強(qiáng)弱通過影響電荷的重新分布，進(jìn)一步影響空間電荷場(chǎng)強(qiáng)弱、折射率調(diào)制大小等，最終影響衍射效率[26]．較強(qiáng)的光吸收，可提高空間電荷場(chǎng)ESC達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度，減少記錄時(shí)間，增加記錄靈敏度并擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍．如選用810 nm(1.53 eV)的近紅外光記錄信息，LNⅤ樣品對(duì)該波段的吸收更強(qiáng)，從而其動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度均更佳．LNⅤ樣品中，Mn 2.87Ce 2.42eV與Ce 2.42Mn 1.53eV兩個(gè)組合均可用于雙光全息存儲(chǔ)，尤其后者在增加記錄靈敏度并擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍上具有一定優(yōu)勢(shì)，而其運(yùn)用還未見報(bào)道．

分析摻Ce4+的樣品，有一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn)：單摻樣品強(qiáng)可見光吸收為非光折變吸收(價(jià)帶到Ce軌道的吸收)；與Mn2+雙摻時(shí)，出現(xiàn)新的可利用的光折變吸收．盡管摻Ce4+不是經(jīng)典的強(qiáng)光折變摻雜元素，在與其他離子雙摻時(shí)卻可能有新的吸收，來源于與其他離子間的電荷轉(zhuǎn)移而形成的Ce3+．這里我們提出了Ce與Mn 之間存在電荷轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)，Ce4+與其他光折變離子間的電荷遷移情況有待證實(shí)．

3 結(jié)論

本文對(duì)純LiNbO3晶體以及多種 Mn，Ce和Zn 摻雜LiNbO3晶體的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)吸收譜進(jìn)行了研究，摻Mn2+或Ce4+的LiNbO3晶體在禁帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，分別主要由Mn 3d，Ce 4f 軌道電子提供．Ce4+在雙摻樣品中2.42 eV處產(chǎn)生的吸收對(duì)我們有所啟示，在雙光存儲(chǔ)應(yīng)用中一些摻雜離子，由于雙摻離子的影響，可能表現(xiàn)出其單摻所無的光折變吸收，因而應(yīng)用時(shí)應(yīng)首先研究雙摻時(shí)各離子的吸收特點(diǎn)．雙光存儲(chǔ)應(yīng)用中，可選取Zn2+濃度達(dá)到閾值的LNⅤ樣本中吸收峰Mn 2.87 eV，Ce 2.42 eV 或Ce 2.42 eV，Mn 1.53 eV兩種情況，前者的記錄光波長更短，記錄的密度更高，后者記錄光吸收強(qiáng)度更大，在衍射效率、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等方面表現(xiàn)更出色．