铝酸镧B位掺杂红外辐射性能与第一性原理研究

摘要

红外辐射材料是随着红外辐射技术而逐渐发展起来的一种新型功能材料，在节能、环保、工业加热、医疗等领域得到广泛应用。铝酸镧具有良好的晶格匹配性，热膨胀系数小，化学稳定性好，宽禁带宽度，良好的热稳定性，因此，本实验选取铝酸镧为基体材料，采用溶胶-凝胶法于1500℃制备纯LaAlO3和掺杂LaAlO3，研究材料的红外辐射性能；并运用Materials Studio模拟软件中的CASTEP模块计算LaAlO3与掺杂LaAlO3的电子结构和光学性质，研究电子跃迁机理。主要结果如下：
　　制备的LaAl1-xFexO3具有单一的钙钛矿结构。铝酸镧形貌发生变化，团聚减少，呈类球形。当掺杂量x=0.50时，铝酸镧在近红外波段的平均发射率为0.706，相较于纯LaAlO3(0.203)，提高了247%，此外，其在中远红外波段的发射率亦有所提高。分析了LaAlO3和Fe：LaAlO3的电子结构和光学性质。掺杂Fe原子后，LaAlO3禁带宽度由3.496eV降低至0.974eV，其态密度的导带底有新的峰出现，这是Fe原子的d轨道与O原子的p轨道杂化形成的杂质能级。
　　制备的LaAl1-xNixO3也具有单一的钙钛矿结构。铝酸镧形貌发生变化，团聚明显减少，晶粒细化，发育完全，呈类球形。当掺杂量x=0.25时，铝酸镧在近红外波段的平均发射率为0.885，相较于纯LaAlO3(0.203)，提高了335%，此外，其在中红外波段的红外发射率亦有较大提高。分析了Ni：LaAlO3的电子结构和光学性质。掺杂Ni原子后，LaAlO3的禁带宽度显著减小，其态密度的导带底出现新的峰，这是Ni原子的d轨道与O原子的p轨道杂化形成的杂质能级。
　　制备的LaAl0.75-xNi0.25FexO3仍具有单一的钙钛矿结构。铝酸镧形貌发生变化，团聚明显减少，晶粒细化，发育完全，呈类球形。当掺杂量x=0.25时，铝酸镧在近红外波段的平均发射率为0.901，相较于纯LaAlO3，以及分别掺杂Ni2+、Fe3+的铝酸镧，有了很大的提高，此外，其在中远红外波段均具有较高发射率。分析了Ni-Fe：LaAlO3的电子结构和光学性质。掺杂后，LaAlO3的禁带宽度减小，其态密度的导带底出现新的峰，这是Ni原子、Fe原子的d轨道与O原子的p轨道杂化形成杂质能级。禁带宽度减小，禁带中杂质能级占据的轨道数增多，使电子从价带跃迁到导带所需能量减小，禁带中自由载流子浓度升高，自由载流子吸收增强，材料的红外发射率得以提高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 红外辐射的基本理论

1.2 红外辐射材料

1.3 CASTEP软件介绍与主要理论

1.4 本课题的研究目的与内容

第二章 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 样品的制备

2.3 样品表征的方法

2.4 实验仪器

第三章 铝酸镧B位掺Fe红外辐射性能与第一性原理研究

3.1 铝酸镧B掺Fe红外辐射性能研究

3.2 结果与讨论

3.3 Fe掺杂LaAlO3的电子结构与光学性质的第一性原理研究

3.4 本章小结

第四章 铝酸镧B位掺Ni红外辐射性能与第一性原理研究

4.1 铝酸镧B位掺Ni红外辐射性能研究

4.2 结果与讨论

4.3 Ni掺杂LaAlO3的电子结构与光学性质的第一性原理研究

4.4 本章小结

第五章 铝酸镧B位Ni-Fe共掺杂红外辐射性能与第一性原理研究

5.1 铝酸镧B位Ni-Fe共掺杂红外辐射性能研究

5.2 结果与结论

5.3 Ni-Fe共掺杂LaAlO3的电子结构与光学性质的第一性原理研究

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果