高壓下BaLiF3晶體光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究

付 勇, 張 林, 張 瑩, 何 林, 孟川民

( 1.四川師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院固體物理研究所, 成都610068; 2.中國工程物理研究院流體物理研究所 沖擊波物理與炮轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽621900)

1 引 言

沖擊高壓領(lǐng)域中的溫度和光譜實(shí)驗(yàn)常常需要用到透明的窗口材料[1]. 對(duì)于這些窗口材料, 人們非常關(guān)注沖擊壓縮下它們?cè)诳梢姽鈪^(qū)能否保持透明的問題, 因?yàn)檫@對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要的影響[2]. 雖然Al2O3和LiF晶體是目前沖擊波實(shí)驗(yàn)中常用的光學(xué)窗口材料[3, 4], 但為了滿足不同特性實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)量, 人們還需要尋找新的窗口材料. 常態(tài)下, BaLiF3晶體具有較高的密度(5.2376 g/cm3)[5]、較寬的能隙(8.41 eV)[6]以及良好的光學(xué)透明性, 因此它有望成為一種候選的窗口材料. 不過, BaLiF3晶體能否成為沖擊波實(shí)驗(yàn)中的窗口材料, 關(guān)鍵還在于它在沖擊壓縮下是否仍能保持良好的透明性. 通常, 有三種因素可能會(huì)影響材料的沖擊透明性: (1) 沖擊誘導(dǎo)的壓力和溫度(這兩個(gè)因素可能會(huì)導(dǎo)致材料的能隙發(fā)生變化, 從而影響它的光吸收性[7-9]); (2) 沖擊誘導(dǎo)的空位點(diǎn)缺陷(在強(qiáng)沖擊壓縮下, 固體材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)高濃度的空位點(diǎn)缺陷，而且這些缺陷可能對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)有顯著的影響[10, 11]). 于是, 探究這些因素對(duì)BaLiF3吸收光譜的影響有重要的科學(xué)意義和技術(shù)需求. 另外, BaLiF3晶體在沖擊壓縮下其折射率的變化規(guī)律也需要研究, 因?yàn)檫@些信息對(duì)正確解讀VISAR(velocity interferometer system for any reflector)測(cè)量數(shù)據(jù)至關(guān)重要[12, 13]. VISAR實(shí)驗(yàn)通常采用波長為532 nm的光源[13, 14], 所以研究沖擊壓縮下BaLiF3晶體在該波長處折射率的變化規(guī)律有重要的價(jià)值.

然而, 對(duì)于上述研究問題目前暫無報(bào)道. 所以, 本文利用第一性原理的方法, 在190 GPa 的壓力范圍內(nèi), 計(jì)算了BaLiF3理想晶體和含空位點(diǎn)缺陷晶體的吸收譜和折射率.

2 模型與計(jì)算方法

計(jì)算是在Material Studio 7.0下的CASTEP模塊中完成的[18-20]. 采用基于密度泛函理論(DFT) 的第一性原理來計(jì)算BaLiF3晶體在高壓下的光學(xué)性質(zhì)[21]. 離子實(shí)和價(jià)電子的相互作用采用超軟贗勢(shì)來描述[22]. 用廣義梯度近似(GGA) 的PBE計(jì)算方案來處理電子間的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)[23]. 充分的幾何優(yōu)化采用了BFGS算法[24]. 優(yōu)化計(jì)算的精確度由下面條件控制: 最大位移偏差0.002 ?, 最大應(yīng)力偏差為0.1 GPa, 原子間的相互作用力的收斂精度為0.05 eV /?, 自洽收斂精度為2×10-5eV /atom. 為了證實(shí)計(jì)算的收斂, 平面波截?cái)嗄苋?00 eV. 對(duì)于BaLiF3的理想晶體和缺陷晶體, K點(diǎn)設(shè)置為2×1×2, 空帶數(shù)均為220.

為了說明計(jì)算數(shù)據(jù)的合理性, 我們做了如下一些分析：(1) 本文在零壓下計(jì)算得到的BaLiF3能隙值是6.531 eV，與文獻(xiàn)[16]的計(jì)算數(shù)據(jù)(6.14 eV)以及文獻(xiàn)[25]的計(jì)算數(shù)據(jù)(6.8 eV)接近, 而且從其能隙隨壓力變化的規(guī)律來看, 本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[16]給出的結(jié)果很相似(見圖1), 這一切都表明本文的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是可靠的. (2)在零壓下計(jì)算得到的BaLiF3能隙值要低于實(shí)驗(yàn)值[6]大約1.879 eV. 這種差異通常是由于第一性原理計(jì)算理論的局限性造成的, 可以視為一種系統(tǒng)誤差[26]. 因此, 本文的計(jì)算數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行系統(tǒng)誤差的修正.

圖1 BaLiF3晶體在高壓下的能隙Fig. 1 Band gaps of BaLiF3 crystal at high pressures

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 吸收譜

圖2 BaLiF3晶體在高壓下的光吸收譜Fig.2 The optical absorptions of BaLiF3 crystal at high pressures

3.2 折射率

圖3 給出了190 GPa 范圍內(nèi)BaLiF3晶體在532 nm 處的折射率隨壓力變化的規(guī)律. 理想晶體數(shù)據(jù)表明: (1)在0 GPa 處的計(jì)算結(jié)果與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[27]基本一致, 說明本文的計(jì)算數(shù)據(jù)是可靠的. (2) BaLiF3的折射率將隨壓力升高而增大. 同時(shí), 缺陷晶體數(shù)據(jù)指明, 氟空位點(diǎn)缺陷將導(dǎo)致BaLiF3的折射率增大, 但鋇空位點(diǎn)缺陷和鋰空位點(diǎn)缺陷的存在對(duì)其基本沒有影響.

圖3 BaLiF3晶體在高壓下的折射率Fig.3 The refractive indexes of BaLiF3 crystal at high pressures

4 結(jié) 論

本文采用第一性原理, 在190 GPa的壓力范圍內(nèi)，計(jì)算了BaLiF3理想晶體和含空位點(diǎn)缺陷晶體的光吸收譜和折射率, 并獲得以下結(jié)論:

(1)在30 GPa的范圍內(nèi), 隨壓力的增大BaLiF3的吸收邊藍(lán)移; 而在30 GPa以上, 卻隨壓力的增加其吸收邊出現(xiàn)紅移的行為. 此外, 空位點(diǎn)缺陷的存在也會(huì)使得吸收譜的吸收邊發(fā)生紅移, 其中氟空位缺陷引起的紅移最顯著. 盡管如此, 上述這些紅移的行為并沒有導(dǎo)致BaLiF3晶體在可見光區(qū)出現(xiàn)光吸收的現(xiàn)象.

(2)532 nm處的折射率數(shù)據(jù)表明, BaLiF3的折射率將隨壓力升高而增大; 同時(shí), 氟空位點(diǎn)缺陷將導(dǎo)致其折射率增加, 而鋇空位點(diǎn)缺陷和鋰空位點(diǎn)缺陷的存在對(duì)其基本沒有影響. 本文的計(jì)算結(jié)果表明, BaLiF3晶體有望成為沖擊波實(shí)驗(yàn)的窗口材料, 建議開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.