Ba(B'B")O3陶瓷光学性能第一性原理计算开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

稀土发光材料广泛应用于节能照明、电子信息、光电探测等领域。常用于稀土离子掺杂的基质主要有硅酸盐体系、铝酸盐体系和氮化物体系等透明材料,而这些材料均存在物理化学性质不稳定、熔点低、导热性差等问题,难以满足激光光学、高能粒子探测等应用的要求[1]。透明单晶的钇铝石榴石(yag)具有导热性好、性质稳定等特点,是目前应用最广泛的发光基质材料。但yag仍存在结构容忍度低的问题,难以提高稀土离子的掺杂浓度,并且其单晶生长过程十分复杂。这些问题使得其生产成本过高,难以大面积推广和使用。寻找结构容忍度高且易于生产的基质材料势在必行。

钡基复合钙钛矿透明陶瓷不仅具有熔点高、导热性良好、透明度高和物理化学性质稳定等特点,而且与单晶基质相比具有烧结温度低、尺寸形貌易控以及结构容忍度高等优点,是一种非常有潜力的基质材料。2011年,日本村田公司[2]制备出高折射率的ba(zr, mg, ta)o3透明陶瓷,进行nd3 掺杂后获得了比yag更宽的荧光光谱。其可用于超短波脉冲激光器和可调谐激光器,这预示了钡基复合钙钛矿透明陶瓷在稀土发光领域具有广阔的应用前景。

目前,对于钡基复合钙钛矿透明陶瓷的研究尚处于从实验角度探究的阶段。由于钡基复合钙钛矿体系的组分结构变化丰富,实验研究该体系性能变化工作量太过巨大。因此,通过材料计算积累该体系组分结构对光学性能的影响规律,指导材料设计具有重要的科学意义。第一性原理计算是从材料的原子核和电子出发,根据基本物理学方程计算材料的电子结构等基本性质的过程,进而可以得到材料的介电性能等参数,是深入理解材料组分结构和光学性能关系的优异手段[3]。介电性由介质在外场作用下极化响应程度衡量,用复介电系数体现材料所存在的极化相位滞后现象[4, 5]。介电系数虚部可以推导出材料的光吸收系数,而后者由电子能带间跃迁几率决定[6, 7]。可通过kramer-kronig关系求出其实部[8],由fresnel公式继而导出其他光学性质。近年来有研究者通过第一性原理计算手段研究钡基复合钙钛矿材料的电子结构,讨论了结构组分与介电系数或光学性能的关系[9, 10]。dai[11]分析和讨论了1:2有序的ba(zn1/3nb2/3)o3 (bzn)和ba(mg1/3nb2/3)o3 (bmn)的电子结构,发现zn比mg多出的3d电荷改变了体系内电荷密度与化学键是二者介电性能差异的原因。khenata等[12]通过计算batio3和bazro3的电子结构和光学性质,比较了在不同能隙压力系数下对介电系数虚部的影响。ehsan等[13]计算了六方ba5m4o15 (m=ta, nb)的(111)晶面电子结构,分析得出ba5ta4o15和ba5nb4o15的复介电系数虚部的主峰对应于[mo6]八面体的从o-2p到ta-5d或nb-4d的带间电子跃迁。本课题组wei[14, 15]对六方相bmn的电子结构进行计算,得出d-p轨道杂化的nb-o共价键提供了其费米面附近的中间能级;并计算了bmn沿[100]和[001]方向上的复介电函数、吸收系数和反射率等光学性质,得出了在两个方向上近乎光学同性的结论。以上研究说明通过计算手段研究钡基复合钙钛矿组分结构与光学性能联系具有可行性。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1、 研究b位原子对ba(b'b'')o3结构的影响。

建立六方和立方晶型的ba(b'1/3b"2/3)o3 (b'2 =mn, co, zn; b"=nb5 )和ba(ti1-xzrx)o3的晶体模型,使用几何优化得出系列化代表性ba(b'b")o3模型。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需计算软件以及参数设置。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-5周:按照设计方案,建立并优化ba(b'b")o3模型。

第6-9周:调整优化计算参数,对不同模型进行物性计算,提取处理计算结果。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 洪广言. 稀土发光材料的研究进展[j]. 人工晶体学报, 2015, 44(10): 2641-2651.

[2] kurokawa h, shirakawa a, tokurakawa m, etal. broadband-gain nd3 -doped ba(zr, mg, ta)o3 ceramiclasers for ultrashort pulse generation[j]. optical materials, 2011, 33(5): 667-669.

[3] 单斌, 陈征征, 陈蓉. 材料学的纳米尺度计算模拟:从基本原理到算法实现[m]. 华中科技大学出版社, 2015.

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