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)用價值，吸引了廣大科研工作者的研究興趣。通過直接倍頻方法產(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，而且整個系統(tǒng)的維護也較其他方式產(chǎn)生深紫外激光的設(shè)備更容易維護。目前已經(jīng)有一些較為成熟的非線性晶體如BBO，CLBO和LBO可以通過非線性頻率轉(zhuǎn)換來產(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多波混頻的方式，這樣不僅使得整個系統(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。但是這兩個晶體在實際應(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異常困難，無法得到大塊的晶體用于實驗研究；而BaMgF4雖然易于生長，但由于其雙折射小，

3、難于進行雙折射相位匹配，并且其二階非線性系數(shù)較常用非線性晶體來講也相對較小。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)計和預(yù)測晶體由于其較于實驗方法的便捷性，易于控制性，已經(jīng)成為研究晶體性質(zhì)的一個重要工具。
　　如果想要從理論上去預(yù)測和表征一個光學(xué)晶體是否具有較好的深紫外非線性光學(xué)性質(zhì)主要依賴對晶體三個物理量的測量：一是晶體的電子帶隙的大??；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晶體的非線性性質(zhì)進行很好的描述從而解決了第三個性質(zhì)的物理表征，而前兩個性質(zhì)則因為DFT理論的“能帶低估”問題和“獨立電子圖像”問題，使得對兩個性質(zhì)的理論表征存在一些問題。
　　本論文通過結(jié)合DFT理論和超越DFT理論的方法對非線性光學(xué)晶體BaMgF4和KBe2BO3F2的能帶進行了計算，計算結(jié)果較之前的理論計算有了

5、大幅的改進，跟實驗結(jié)果很好的吻合。并通過對比和雜化泛函的計算結(jié)果，驗證了雜化泛函同樣適合描述上述寬帶隙體系，但計算量則較方法大為減少。對于上述體系的線性光學(xué)性質(zhì)，本論文通過對比考慮和不考慮電子-空穴相互作用的計算結(jié)果，指出在上述體系中，存在很強的激子效應(yīng)。從而必須通過求解BSE方程考慮電子-空穴相互作用才可對上述體系的線性光學(xué)性質(zhì)進行正確的描述。
　　沿著上述工作的思路，我們對硒化鎵體系的線性光學(xué)性質(zhì)進行了計算。通過引入準(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，通過理論分析不同電子-空穴對對吸收光譜各吸收峰的貢獻，對光吸收譜的實驗測量進行了解釋。
　　第一性原理作為一個有力的理論探索固體體系性質(zhì)的工具，我們同樣將其運用到了復(fù)雜氧化物MFeO2(M=Sr,Ba)體系。MFeO2體系自從其合成以來，就由于伴隨其諸多的有趣物理問題而得到了研究人員的廣泛關(guān)注，其中Jahn-Teller形變的缺失無疑吸引了最多的討論