SrAl2O4晶体中掺杂Ce3+离子占据格位倾向性的理论研究

摘要

自上世纪60年代，人们观察到SrAl2O4:Eu2+晶体材料的长余辉发光现象以来，长余辉材料一直受到人们的广泛关注。特别是在上世纪90年代，Matsuzawa等人报道了SrAl2O4:Eu2+,Dy3+的强余辉现象之后，近20年以来长余辉材料的发光机制及其应用研究引起了实验和理论学家的极大兴趣。本论文分别采用经验势原子模拟方法和从头计算方法研究了Ce3+掺杂SrAl2O4晶体的格位占据情况。
　　第一章绪论中简单介绍了经验势原子模拟方法以及SrAl2O4晶体的研究背景，并简要介绍了本文的主要内容，即关于Ce3+离子掺杂SrAl2O4晶体的格位占据倾向性。
　　第二章介绍了经验势原子模拟软件中关于计算离子晶体及晶体缺陷的主要方法，包括理论模型介绍、拟合实验数据以确定经验势参数、以及缺陷形成能的计算等等。另外简要介绍了从头计算方法和密度泛函理论。
　　第三章是本论文的主要部分，首先研究了SrAl2O4晶体结构和晶格能。其次研究了 SrAl2O4晶体中的本征缺陷，即 Schottky, pseudo-Schottky和anti-site缺陷能。最后，采用经验势原子模拟方法研究Ce3+离子掺杂SrAl2O4晶体的格位占据和各种电荷补偿情况，即Ce3+离子分别占据Sr1和Sr2格位，同时由Al3+空位、Sr2+空位、Na+替代占据Sr2+格位等进行电荷补偿，从而得出在SrAl2O4晶体中掺杂的Ce3+离子更倾向于占据较小的Sr2格位而不是较大的Sr1格位。
　　第四章是利用从头计算法研究了Ce3+掺杂SrAl2O4晶体格位的倾向性。采用杂化密度泛函理论优化晶体结构，并以此为基础，构造以Ce3+为中心镶嵌离子团簇，对其进行基于波函数的CASSCF/CASPT2方法并考虑自旋-轨道耦合作用，获得Ce3+的4f1和5d1态能量。通过比较DFT总能量，以及计算和实验的4f→5d跃迁能量，得出了Ce3+离子更容易占据Sr2格位。

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第一章 绪论

1.1 经验势原子模拟简介

1.2 SrAl2O4晶体的研究背景

1.3 本文主要内容

第二章 理论方法

2.1 理论模型

2.1.1 库仑相互作用

2.1.2离子电荷的确定

2.1.3 散射相互作用

2.1.4 二体短程相互作用

2.1.5极化率

2.1.6势能截断

2.1.7结构优化

2.1.8基本物理性质的计算

2.2 相互作用势的参数拟合

2.2.1 拟合基础

2.2.2 经验拟合

2.2.3 同时拟合

2.2.4 弛豫拟合

2.3 从头计算方法

第三章 SrAl2O4晶体中掺杂Ce3+离子占据格位倾向性的原子模拟研究

3.1 理论模型

3.2 计算方法

3.2.1 势的推导

3.2.2 缺陷的计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 SrAl2O4晶体结构与晶格能量

3.3.2 SrAl2O4晶体中的本征缺陷

3.3.3 SrAl2O4晶体中的Ce3+替代缺陷

3.4 结论

第四章 SrAl2O4晶体中掺杂Ce3+离子占据格位倾向性的从头计算研究[59]

4.1 SrAl2O4的结构和电子性质

4.2 Ce3+掺杂SrAl2O4晶体的局域结构

4.3 Ce3+掺杂SrAl2O4晶体中的4f→5d跃迁能量

4.4 结论

参考文献

硕士期间发表的论文及参与科研项目

致谢