掺杂氟化镁和氟化锂晶体光学性质的第一性原理计算

摘要

氟化物晶体是一类非常重要的功能晶体材料，主要应用在激光、催化剂载体、光学棱镜、透镜、光学窗口等领域。本文以氟化镁(MgF2)晶体、氟化锂(LiF)晶体为研究对象，但由于MgF2晶体作为催化剂载体使用时，催化性能较差，不能将有机化合物高效率地催化反应；LiF晶体作为窗口材料使用时，反射率以及吸收率不满足实际需求。基于上述背景，希望可以通过元素掺杂的方法来调制材料的电子结构，改善材料的性能。本文通过对掺杂元素的筛选，选取Ca掺杂MgF2晶体、Na掺杂LiF晶体以及Na、H共掺杂LiF晶体，利用基于第一性原理的Materials Studio软件对其电子结构和光学性质进行了计算和分析。
　　首先，采用Materials Studio软件建立了纯MgF2晶体超晶胞模型，并进行结构优化。在结构优化成功的基础上，建立了不同Ca掺杂浓度的模型，计算了掺杂体系的能带结构、态密度、介电函数和吸收系数，分析了掺杂后体系的形成能降低、禁带宽度减小和吸收系数增大的原因，并对吸收边带发生红移现象进行了解释。
　　其次，采用Materials Studio软件建立了不同浓度的Na原子替位掺杂LiF晶体的超晶胞模型，对模型进行了几何优化，在优化成功的模型基础上计算了能带分布、态密度分布和光学性质。深入分析了掺杂后体系的形成能降低、禁带宽度、反射率、吸收系数减小以及吸收边带发生红移现象的原因。
　　最后，在纯LiF晶体超晶胞模型的基础上，替位掺杂相同浓度的Na原子和H原子，计算了掺杂体系的禁带宽度、态密度、介电函数、反射率和吸收光谱。对掺杂体系NaLi11F11H稳定性增强以及禁带宽度减小的原因进行了分析。计算了掺杂体系NaLi11F11H的介电函数、反射率和吸收系数，解释了掺杂体系NaLi11F11H反射率降低以及吸收系数减小的原因。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 氟化物晶体材料的研究背景

1.2 氟化物晶体的研究进展

1.3 计算模拟的物理学意义

1.4 研究目的和意义

1.5 本文的主要研究内容

第2章 第一性原理计算基本理论和方法

2.1 引言

2.2 第一性原理计算方法

2.3 密度泛函理论

2.4 计算程序CASTEP简介

2.5 本章小结

第3章 Ca掺杂对MgF2电子结构和光学性质的影响

3.1 引言

3.2 计算模型与方法

3.3 Ca掺杂MgF2电子结构分析

3.4 晶体的光学性质分析

3.5 CaxMg6-xF12的光学性质分析

3.6 本章小结

第4章 Na掺杂对LiF电子结构和光学性质的影响

4.1 引言

4.2 计算模型与方法

4.3 Na掺杂LiF电子结构分析

4.4 NaxLi6-xF12的光学性质分析

4.5 本章小结

第5章 Na-H共掺对LiF电子结构和光学性质的影响

5.1 引言

5.2 计算模型和方法

5.3 Na-H共掺杂LiF的光学性质分析

5.4 光学性质分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢