王先龍
(梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,梧州 543002)
近年來(lái),γ-LiAlO2:Cr3+單晶襯底憑借其與GaN小的晶格失配率、小的熱膨脹失配率、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、容易分離以及可以生長(zhǎng)得到無(wú)襯底支撐的無(wú)極化電場(chǎng)的GaN薄膜等優(yōu)點(diǎn)吸引了越來(lái)越多人們的關(guān)注[1-5]。它作為一種結(jié)構(gòu)功能一體化材料,具有優(yōu)良的熱物理性能、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性以及優(yōu)異的輻照行為,有望成為GaN基薄膜常規(guī)襯底如藍(lán)寶石的替代物是一種很有前途的新型襯底材料[6-8]。
γ-LiAlO2晶體是高溫穩(wěn)定相。它屬于四方晶系,晶格常數(shù):a=b=5.168A?,C=6.309,Li+和Al3+交替處于氧四面體中心,空間群為P41212[9],γ-LiAlO2晶體鍵長(zhǎng)參數(shù)如表1所示,其局域點(diǎn)群對(duì)稱近似為四配位D2d對(duì)稱。D2d屬四角晶系,其局域?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)如圖1所示。體心黑色標(biāo)示點(diǎn)為中心離子位置,周圍四個(gè)標(biāo)有1、2、3、4的黑點(diǎn)為配體位置。這四個(gè)配體的坐標(biāo)列在表2中。
圖1 四配位D2d對(duì)稱
表1 γ-LiAlO2晶體鍵長(zhǎng)參數(shù)
表2 D2d的局域結(jié)構(gòu)參數(shù)
在γ-LiAlO2中摻入Cr3+,Cr3+取代Al3+的位置后與周圍四個(gè)氧配體一起形成局域?qū)ΨQ近似為四配位D2d的對(duì)稱,此時(shí),中心過(guò)渡金屬離子Cr3+與配體O2-的Cr-O鍵長(zhǎng)可取為:
點(diǎn)電荷模型下,四角晶場(chǎng)有三個(gè)獨(dú)立晶場(chǎng)參量B20,B40,B44,且B44=B4-4。當(dāng)晶場(chǎng)參量與晶體中過(guò)渡金屬離子及周圍配體離子間局域結(jié)構(gòu)參數(shù)已知時(shí),便可以確定晶場(chǎng)參量Bkq的值。針對(duì)四個(gè)配體均為O2-,得到晶場(chǎng)參量與晶體結(jié)構(gòu)參量之間的關(guān)系為:
dN電子系統(tǒng)的靜電相互作用可以化為兩個(gè)電子的相互作用矩陣元的線性組合,而后者又可化為Racah靜電參量A,B,C的線性組合。對(duì)不在晶體中的過(guò)渡鐵族自由離子,即鐵族過(guò)渡自由離子,兩個(gè)電子間仍有靜電相互作用,仍存在Racah靜電參量(A為只在對(duì)角元出現(xiàn)且相等的參量,A可以省略)。引入平均共價(jià)因子N作為擬合參量,則由平均共價(jià)因子模型有:
式中B0,C0為自由離子的d軌道電子靜電相互作用的靜電參量,<r2>n、<r4>n為自由離子的期望值。
γ-LiAlO2:Cr3+局域結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。在表3中,R為中心金屬離子Cr3+與配體離子O2-的鍵長(zhǎng),R=1.7605A?,φ為配體在XOY平面上的投影與X軸正向的夾角,Θ為配體與Z軸正向的夾角,其中θ=52.9°,對(duì)O2-配體,q=-2e。
表3 γ-LiAlO2:Cr3+局域結(jié)構(gòu)參數(shù)
趙敏光等人已由參量化軌道求出了Cr3+的A0,B0,C0和<r2>0、<r4>0及的值,它們分別為[12]:
結(jié)合表3中的γ-LiAlO2:Cr3+局域結(jié)構(gòu)及電量參數(shù),將(3)式、(4)式代入到(2)式中,當(dāng)平均共價(jià)因子取不同的值時(shí),可得到不同A,B,C,B20,B40,B44的值。如表4所示。
表4 N取不同的值時(shí)對(duì)應(yīng)的A,B,C,B20,B40,B44的值
通過(guò)對(duì)LiAlO2及γ-LiAlO2:Cr3+局域結(jié)構(gòu)的分析,應(yīng)用晶體場(chǎng)相關(guān)理論,在點(diǎn)電荷模型下引入平均共價(jià)因子N,通過(guò)列舉了的三個(gè)N值的調(diào)節(jié),運(yùn)用HCF程序運(yùn)算,對(duì)四角晶場(chǎng)下的Cr3+離子的三個(gè)獨(dú)立晶場(chǎng)參量B20,B40,B44進(jìn)行了理論計(jì)算,為四角場(chǎng)下的Cr3+離子的d-d躍遷提供了理論解釋依據(jù),為下一步識(shí)別晶體的吸收光譜從理論上給出了定性的判斷方法。