基于第一性原理的深紫外氟化物晶體及復(fù)雜氧化物的理論研究.pdf

1、由于深紫外激光(波長(zhǎng)在200nm以下)在光電離譜、激光光譜、半導(dǎo)體光刻、微加工以及光化學(xué)合成中的潛在應(yīng)用價(jià)值，吸引了廣大科研工作者的研究興趣。通過(guò)直接倍頻方法產(chǎn)生深紫外激光的全固態(tài)深紫外激光器不僅擁有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、輸出光束穩(wěn)定、帶寬窄且具備較高的激光質(zhì)量，而且整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)也較其他方式產(chǎn)生深紫外激光的設(shè)備更容易維護(hù)。目前已經(jīng)有一些較為成熟的非線性晶體如BBO，CLBO和LBO可以通過(guò)非線性頻率轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生深紫外激光。但是上述非線性晶體若想

2、產(chǎn)生200nm以下的激光則必須通過(guò)多波混頻的方式，這樣不僅使得整個(gè)系統(tǒng)變得極為復(fù)雜而且轉(zhuǎn)換效率也十分低下。在人們不斷的探索中，氟化物晶體BaMgF4和KBe2BO3F2晶體由于其深紫外透明以及具有良好的非線性光學(xué)性質(zhì)而引起了人們的注意。但是這兩個(gè)晶體在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中又有其各自的不足，如KBe2BO3F2由于其沿z軸方向?qū)娱g距大，使得晶體在此方向上的生長(zhǎng)異常困難，無(wú)法得到大塊的晶體用于實(shí)驗(yàn)研究；而B(niǎo)aMgF4雖然易于生長(zhǎng)，但由于其雙折射小，

3、難于進(jìn)行雙折射相位匹配，并且其二階非線性系數(shù)較常用非線性晶體來(lái)講也相對(duì)較小。所以尋找更為合適的深紫外非線性晶體替代者的需求日益迫切。而理論設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)晶體由于其較于實(shí)驗(yàn)方法的便捷性，易于控制性，已經(jīng)成為研究晶體性質(zhì)的一個(gè)重要工具。
　　如果想要從理論上去預(yù)測(cè)和表征一個(gè)光學(xué)晶體是否具有較好的深紫外非線性光學(xué)性質(zhì)主要依賴對(duì)晶體三個(gè)物理量的測(cè)量：一是晶體的電子帶隙的大小；二是晶體光學(xué)帶隙的大??；三是二階光學(xué)非線性系數(shù)的大小。前兩個(gè)性質(zhì)是密

4、切相關(guān)的，共同決定了晶體是否在深紫外區(qū)域透明。第三個(gè)性質(zhì)則決定了晶體的非線性能力。結(jié)合2+1定理和密度泛函微擾論可以對(duì)晶體的非線性性質(zhì)進(jìn)行很好的描述從而解決了第三個(gè)性質(zhì)的物理表征，而前兩個(gè)性質(zhì)則因?yàn)镈FT理論的“能帶低估”問(wèn)題和“獨(dú)立電子圖像”問(wèn)題，使得對(duì)兩個(gè)性質(zhì)的理論表征存在一些問(wèn)題。
　　本論文通過(guò)結(jié)合DFT理論和超越DFT理論的方法對(duì)非線性光學(xué)晶體BaMgF4和KBe2BO3F2的能帶進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較之前的理論計(jì)算有了

5、大幅的改進(jìn)，跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合。并通過(guò)對(duì)比和雜化泛函的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了雜化泛函同樣適合描述上述寬帶隙體系，但計(jì)算量則較方法大為減少。對(duì)于上述體系的線性光學(xué)性質(zhì)，本論文通過(guò)對(duì)比考慮和不考慮電子-空穴相互作用的計(jì)算結(jié)果，指出在上述體系中，存在很強(qiáng)的激子效應(yīng)。從而必須通過(guò)求解BSE方程考慮電子-空穴相互作用才可對(duì)上述體系的線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行正確的描述。
　　沿著上述工作的思路，我們對(duì)硒化鎵體系的線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)引入準(zhǔn)粒子修正

6、和BSE方程，砷化鎵體系的電子性質(zhì)和線性光學(xué)性質(zhì)得到了很好的理論表征。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析不同電子-空穴對(duì)對(duì)吸收光譜各吸收峰的貢獻(xiàn)，對(duì)光吸收譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行了解釋。
　　第一性原理作為一個(gè)有力的理論探索固體體系性質(zhì)的工具，我們同樣將其運(yùn)用到了復(fù)雜氧化物MFeO2(M=Sr,Ba)體系。MFeO2體系自從其合成以來(lái)，就由于伴隨其諸多的有趣物理問(wèn)題而得到了研究人員的廣泛關(guān)注，其中Jahn-Teller形變的缺失無(wú)疑吸引了最多的討論