铈掺杂Lu2SiO5晶体的电子性质及4f→5d跃迁的理论研究

摘要

稀土元素由于其独特的电子壳层结构而具有优异的光、电、磁等特性,因此其在现代科学技术中的应用越来越受到人们的重视。在这些应用中,稀土发光材料已经成为现代光学材料的重要组成部分。近年来,人们主要集中于研究稀土掺杂晶体的各种发光性质。随着计算机技术的不断发展,计算物理已经和实验物理、理论物理成为物理学的三大重要分支,而第一性原理计算正逐渐成为物理、化学等领域的重要研究工具。在本文中,我们利用目前普遍使用的密度泛函理论以及高性能计算机集群对稀土掺杂的发光材料进行了计算模拟和研究。
　　这篇论文的结构安排如下:
　　第一章的绪论部分主要介绍了稀土元素和其在现代科学技术中的应用,以及目前稀土发光材料的研究和应用情况。在第一章末尾,还简要介绍了第一性原理的基本概念及其发展情况。
　　第二章的基本理论部分介绍了Hartree-Fock理论以及密度泛函理论的理论框架,并介绍了本文中计算使用的VASP软件和 MOLCAS软件。
　　第三章是本文的主体。在这一章中,我们采用超单胞模型,使用了杂化密度泛函理论和基于波函数的CASSCF/CASPT2镶嵌团簇计算研究了铈掺杂 Lu2SiO5(LSO)晶体的电子性质和4f→5d跃迁性质。首先,我们使用了DFT-PBE方法优化了未掺杂及掺杂 Ce3+的Lu2SiO5晶体的构型。随后我们采用 PBE泛函和 HSE06杂化泛函研究晶体的电子性质。在晶体构型优化的基础上,我们构建了(CeLu1O7Si4)5+以及(CeLu2O6Si4)7+嵌入团簇,采用 CASSCF/CASPT2计算研究4f→5d跃迁性质。通过比较计算与实验的跃迁能量,我们获得了两种实验上观测到的谱带,并确认其是来自两个不同取代格位的Ce3+。最后我们从4f1和5d1组态的权重能量差以及晶场分裂能量变化两个方面讨论了两个最低的4f→5d跃迁能量的变化与配位环境之间的关系。

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第一章 绪论

§1.1 稀土元素简介

§1.2 稀土元素的电子结构

§1.3 稀土发光材料

§1.4 第一性原理简介

§1.5 本论文研究工作

第二章 基本理论方法及量化软件简介

§2.1 Born-Oppenheimer 近似和单电子近似

§2.2 密度泛函理论

§2.3 布洛赫定理

§2.4 赝势方法

§2.5 自洽场方法

§2.6 量化软件简介

第三章 Ce3+掺杂 Lu2SiO5 晶体的电子性质及 4f→5d 跃迁的理论研究

§3.1 引言

§3.2 计算方法

§3.3 计算结果与讨论

§3.3.1 晶体结构性质

§3.3.2 4f→5d 跃迁能量

§3.4 本章小结

参考文献

附 录

致谢