掺杂铌酸锂晶体的第一性原理研究

【摘要】铌酸锂晶体(LiNbO3简称LN)具有良好的电光、声光、非线性光学等物理性质,并且具有热稳定性和化学稳定性,广泛应用于光调制器光学开关、光参量振荡器、激光倍频器、光折变器件、光波导基片和光隔离器等方面。基于晶体制备方法,过去大量成品晶体为同成分铌酸锂晶体(CLN),而研究也主要集中于此。近年来,由于应用的需要,通过不同的技术制备出近化学计量比的铌酸锂晶体,更多的研究开始聚焦于近化学计量比铌酸锂晶体。通过对晶体进行掺杂可以增加或者减弱晶体内部的光折变效应。本文选取光折变和抗光折变掺杂LN晶体的代表Fe:LN和Mg：LN作为研究对象。氢离子对LN晶体的光折变效应具有一定的抑制作用。晶体在掺杂或者生长过程不可避免氢离子进入晶体内部,而通常实验中常忽略氢的影响,这对晶体中抗光折变的研究和应用不利。对于铁的掺杂LN晶体,由于铁价态的不稳定,在晶体内部会出现+2价与+3价两个价态,文献中,Fe离子在晶体中能级均被统一标志为Fe离子中心。电荷在不同能级见跃迁,形成空见电荷场正是光折变产生的原因。理清晶体中能级的具体分布对于光折变的研究和应用是非常必要的。本文主要工作为：1、利用密度泛函理论,研究铌酸锂晶体(LN)和掺镁铌酸锂晶体中意外引入的氢离子的占位情况以及对晶体吸收谱线的影响。我们认为H离子将占据锂位且偏离该位置与附近的氧平面靠近,并与其中的氧原子结合形成OH-。通过对LN、Mg:LN、H:Mg:LN的建模和计算,通过对各晶体的吸收谱线的研究,我们提出了OH-和OH2-结构的形成,以及该结构对吸收谱线产生影响的机制。2、采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了化学计量比铌酸锂晶体(SLN)的能带结构以及掺铁铌酸锂的铁离子能态。研究结果表明,SLN晶体的禁带主要决定于O2-的2p能态和Nbs+的4d能态。对Fe:SLN晶体,Fe2+、Fe3+离子均可以占Li位；Fe3+离子可以占Nb位,而Fe2+离子不占Nb位,两种价态铁离子在占不同位置时能级有着最大0.41eV的差别。
【作者】冉启义；
【导师】张耘；
【作者基本信息】西南大学，光学，2014，硕士
【关键词】铌酸锂晶体；密度泛函；吸收边；H离子；掺杂；能级分布；

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