高壓下二氧化鋯的光學(xué)性質(zhì)

1、高壓下高壓下ZrO2電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的第一性電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算原理計算 姓名：王玉婷姓名：王玉婷學(xué)號：學(xué)號：20112364035指導(dǎo)教師：顧芳指導(dǎo)教師：顧芳濱江學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文答辯2015.6.2答辯內(nèi)容答辯內(nèi)容研究背景研究背景研究內(nèi)容研究內(nèi)容 結(jié)論結(jié)論一、研究背景一、研究背景 ZrO2是一種重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，集眾多優(yōu)異的性能是一種重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，集眾多優(yōu)異的性能于一身，具有寬帶隙于一身，具有寬帶隙(5.8eV)，高介電常數(shù)，高介電常數(shù)(25)，高折，高折射率和抗激光損傷閾值，寬的光譜透明區(qū)域，優(yōu)異的化學(xué)、射率和抗激光損傷閾值，寬的光譜透明區(qū)域，優(yōu)

2、異的化學(xué)、機械及熱穩(wěn)定性。同時，還具有高硬度，高強度，高韌性機械及熱穩(wěn)定性。同時，還具有高硬度，高強度，高韌性和極高的耐磨性等，已廣泛用于陶瓷材料、耐火材料、隔和極高的耐磨性等，已廣泛用于陶瓷材料、耐火材料、隔熱材料、高熱材料、高K柵介質(zhì)材料、催化劑、高溫固體電解質(zhì)和光柵介質(zhì)材料、催化劑、高溫固體電解質(zhì)和光電器件等領(lǐng)域。因此，對電器件等領(lǐng)域。因此，對ZrO2的實驗研究和理論計算越來的實驗研究和理論計算越來越受到人們的重視。越受到人們的重視。目前，盡管對立方目前，盡管對立方ZrO2制備、性能及結(jié)構(gòu)等方面進行了大制備、性能及結(jié)構(gòu)等方面進行了大量的研究，但是對其詳細的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識仍量的研

3、究，但是對其詳細的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識仍存在著分歧存在著分歧.因此因此ZrO2對的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)及其相互對的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系的分析必將對更好地開展關(guān)系的分析必將對更好地開展ZrO2的實驗及應(yīng)用研究具有的實驗及應(yīng)用研究具有十分重要的指導(dǎo)意義。十分重要的指導(dǎo)意義。ZrO2的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖(其中小球表示氧原子，大球表示鋯原子其中小球表示氧原子，大球表示鋯原子) 研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，ZrO2有三種晶體形有三種晶體形態(tài)，溫度低于態(tài)，溫度低于11700C時為單斜晶時為單斜晶相，空間群為相，空間群為Fm3m，對稱型為對稱型為O5h。二、研究內(nèi)容二、研究內(nèi)容Identit

4、yOrigin 從第一性原理出發(fā)，在局域密度近似下，從第一性原理出發(fā)，在局域密度近似下，采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢計采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢計算方法系統(tǒng)地研究了單斜算方法系統(tǒng)地研究了單斜ZrO2ZrO2靜水壓強下的靜水壓強下的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。 1、 不同壓強下單斜晶向不同壓強下單斜晶向ZrO2的電子結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)不同壓強下單斜不同壓強下單斜ZrZrO O2 2能帶結(jié)構(gòu)圖能帶結(jié)構(gòu)圖 文中施加的壓強采用了文中施加的壓強采用了等效靜水壓強，其取值等效靜水壓強，其取值范圍為范圍為0GPa20GPa，正壓強則表示施加了壓正壓強則表示施加了壓應(yīng)力靜水壓強或壓力

5、應(yīng)力靜水壓強或壓力不會改變單斜不會改變單斜ZrO2 晶晶格對稱性。我們分別取格對稱性。我們分別取了了5GPa、10GPa、15GPa和和20GPa。 對于施加壓強后的單斜晶相對于施加壓強后的單斜晶相ZrO2ZrO2能帶結(jié)構(gòu)，由圖可知，能帶結(jié)構(gòu)，由圖可知，施加正壓強后二氧化鋯費米面附近的的能帶結(jié)構(gòu)有一施加正壓強后二氧化鋯費米面附近的的能帶結(jié)構(gòu)有一定程度的變化，導(dǎo)帶底向高能量方向有微小移動，且定程度的變化，導(dǎo)帶底向高能量方向有微小移動，且導(dǎo)帶底的位置由導(dǎo)帶底的位置由Y Y點變?yōu)辄c變?yōu)锳 A點，即由直隙材料變?yōu)榱碎g點，即由直隙材料變?yōu)榱碎g隙材料。隨著壓強的增大，單斜晶相的氧化鋯帶隙明隙材料。隨著壓強

6、的增大，單斜晶相的氧化鋯帶隙明顯增大，壓強為顯增大，壓強為5GPa5GPa、10GPa10GPa、15GPa15GPa和和20GP20GP時，帶隙時，帶隙值分別為值分別為2.918eV2.918eV，3.655eV 3.655eV ，3.880eV3.880eV，4.219eV4.219eV和和4.315eV4.315eV，與不施加壓強的立方，與不施加壓強的立方ZrO2ZrO2比帶隙比帶隙2.918eV2.918eV相相比都有所增大，表明施加正壓強使該材料的導(dǎo)電性能比都有所增大，表明施加正壓強使該材料的導(dǎo)電性能變好。費米面的偏移會使費米面處的能帶結(jié)構(gòu)，載流變好。費米面的偏移會使費米面處的能帶結(jié)

7、構(gòu)，載流子的有效質(zhì)量和濃度發(fā)生改變，進而改變材料的光電子的有效質(zhì)量和濃度發(fā)生改變，進而改變材料的光電傳輸性能。傳輸性能。總態(tài)密度與分態(tài)密度圖總態(tài)密度與分態(tài)密度圖 總態(tài)密度圖總態(tài)密度圖Zr原子原子s、p和和d軌道軌道電子的態(tài)密度電子的態(tài)密度O原子原子s、p和和d軌道電子的分態(tài)密度軌道電子的分態(tài)密度價帶頂態(tài)密度主價帶頂態(tài)密度主要由要由O的的P態(tài)貢獻，態(tài)貢獻，而導(dǎo)帶底態(tài)密度而導(dǎo)帶底態(tài)密度則主要是由則主要是由Zr和和O的的S態(tài)電子與態(tài)電子與Zr的的d態(tài)雜化產(chǎn)生。態(tài)雜化產(chǎn)生。5eV后的態(tài)密度部后的態(tài)密度部分主要由分主要由Zr的的d態(tài)態(tài)與與O的的P態(tài)雜化產(chǎn)態(tài)雜化產(chǎn)生的，這個部分生的，這個部分的態(tài)密度在施加

8、的態(tài)密度在施加壓強之后波峰明壓強之后波峰明顯降低。顯降低。3、光學(xué)性質(zhì)結(jié)果、光學(xué)性質(zhì)結(jié)果施加壓強后復(fù)介電函數(shù)虛部峰值減小，峰位施加壓強后復(fù)介電函數(shù)虛部峰值減小，峰位向低能方向移動。向低能方向移動。復(fù)介電函數(shù)虛部復(fù)介電函數(shù)虛部吸收系數(shù)吸收系數(shù) 不施加壓強的不施加壓強的ZrO2ZrO2對小于對小于220nm220nm（吸收邊）紫外光有吸收，（吸收邊）紫外光有吸收， 與實驗結(jié)果與實驗結(jié)果250nm250nm的吸收邊結(jié)果一致的吸收邊結(jié)果一致； 施加壓強后，吸收范圍減小，吸收邊向低能方向移動，施加壓強后，吸收范圍減小，吸收邊向低能方向移動， 吸收邊的波長增大，吸收邊的波長增大，產(chǎn)生了紅移產(chǎn)生了紅移； 由

9、此可見，吸收邊的波長隨增大壓強明顯減小由此可見，吸收邊的波長隨增大壓強明顯減小 折射率折射率隨著壓強的增大，折射率向高能量方向移動。隨著壓強的增大，折射率向高能量方向移動。損失函數(shù)損失函數(shù)不同壓強下的不同壓強下的ZrZrO O2 2損失函數(shù)都向損失函數(shù)都向高能方向高能方向移動，且移動，且施加壓強越高，損失峰的施加壓強越高，損失峰的峰值越大峰值越大。三、結(jié)三、結(jié) 論論 基于密度泛函理論框架下的第一性原理計算方法，系統(tǒng)地研究基于密度泛函理論框架下的第一性原理計算方法，系統(tǒng)地研究了單斜了單斜ZrO2靜水壓強下的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。電子結(jié)構(gòu)分析靜水壓強下的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。電子結(jié)構(gòu)分析表明：優(yōu)化后的

10、表明：優(yōu)化后的ZrO2晶格常數(shù)與實驗值吻合較好，相對誤差在晶格常數(shù)與實驗值吻合較好，相對誤差在4%以下；且以下；且ZrO2為直接帶隙的絕緣體材料，價帶頂和導(dǎo)帶底為直接帶隙的絕緣體材料，價帶頂和導(dǎo)帶底均位于均位于X點；施加壓強后該材料轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙材料，且?guī)峨S著點；施加壓強后該材料轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙材料，且?guī)峨S著壓強的增大而增大，即施加正壓強使得單斜壓強的增大而增大，即施加正壓強使得單斜ZrO2的絕緣性增強的絕緣性增強。通過對材料態(tài)密度的分析可知，施加正壓強后能隙的變化主。通過對材料態(tài)密度的分析可知，施加正壓強后能隙的變化主要是由于要是由于Zr原子的原子的d態(tài)電子的能帶向高能量方向移動造成的。光態(tài)電子的能帶向高能量方向移動造成的。光學(xué)性質(zhì)結(jié)果表明：施加正壓強使單斜學(xué)性質(zhì)結(jié)果表明：施加正壓強使單斜ZrO2的介電函數(shù)、吸收系的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、折射率和能量損失譜均產(chǎn)生了較大變化，其中，摻雜使光數(shù)、折射率和能量損失譜