MgO折射率隨壓強變化研究

張佳佳

摘? 要：利用第一性原理計算出MgO折射率隨單軸加壓和雙軸加壓的變化情況，發現加壓使介電常數減小，雙軸加壓使MgO從負單軸晶體變為正單軸晶體。

關鍵詞：氧化鎂（MgO）;壓強;折射率

中圖分類號：TQ132.2 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0055-02

Abstract： The variation of refractive index of MgO with uniaxial compression and biaxial compression is calculated using the first principle. It is found that the dielectric constant decreases under compression and MgO changes from negative uniaxial crystal to positive uniaxial crystal under biaxial compression.

Keywords： Magnesia （MgO）; pressure; refractive Index

1 概述

材料微觀結構的研究和控制是目前材料學所追求的目標，這些都需要高端的測試技術，但研究難度和成本也會越來越高，僅僅依靠實驗來研究材料己經不能滿足現代材料研究和發展的需要。然而，隨著計算機性能的提升和相關模擬計算方法的改進，模擬在不同條件下材料的物性已成為可能[1]。目前數值模擬計算主要有兩個方面的應用：（1）根據實驗測量的數據，結合現有理論基礎解讀實驗結果，得出其物理機理;（2）通過已有的理論來預測實驗現象，為相關生產實踐活動提供參考和技術指導。

氧化鎂是在材料科學和技術領域中有著廣泛應用的一種典型氧化物[1-2]。在沖擊波實驗中，光測技術（例如，轄射測溫[2]、激光干涉測速[3-4]、以及瞬態光譜[5]等技術）是常用的測試手段之一，其中光學窗口材料是樣品不可或缺的結構部件。在沖擊壓縮下，窗口材料是否保持透明以及折射率變化行為是人們特別關注的問題，因為它們將對實驗結果的可信度有重要影響[6]。

氧化鎂是面心立方結構晶體，光在這種各向同性的晶體中傳播時不具有雙折射行為，即光不同方向的偏振具有相同的折射率[7]。當受到不均勻的應力時，外部機械應力或生長過程中產生的內應力，晶體局部或整體會發生彈性形變，此時，原先的各向同性結構將變為各向異性，光的不同振動方向將具有不同的折射率，會產生雙折射現象，稱為應力雙折射[8]。因此應力雙折射的計算與理論研究將解決外部干擾與晶體內部微觀結構變化的關系，對實際的生產過程有重要指導作用。

2 計算方法

MgO光彈系數計算使用基于第一性原理的CASTEP（Cambridge Serial Total Energy Package）軟件包[16]，交換關聯勢采用局域密度近似（LDA）中的CA-PZ方法[17-18]，贗勢選擇規范保守勢[19]，氧原子的價電子為2s2 2p4，鎂原子價電子為2s2 2p6 3s2，布里淵區積分k點取樣使用Monkhorst-pack方法[20]，未施加壓強與施加均勻壓強時k點網格為4×4×4，施加主軸z方向壓強時，k點網格為5×5×3。截止能選取為990 eV，使自洽場精度達到5×10-7 eV/atom，后續加壓計算中均選取這一截止能。

對氧化鎂Z軸施加1-5GPA的壓力，每次間隔1GPA，分別對模型進行參數優化，在優化基礎上計算能帶結構和態密度，計算晶體的帶隙寬度，討論原子各個軌道在價帶與導帶分布的變化情況，并計算氧化鎂在單軸加壓狀態下的折射率。對氧化鎂X軸和Y軸同時施加1-5GPA的壓力，每次間隔1GPA，分別對模型進行參數優化，在優化基礎上計算能帶結構和態密度，計算晶體的帶隙變化，討論院子各個軌道在價帶雨導帶分布的變化情況，并計算氧化鎂在雙軸加壓下的折射率。

3 結果與討論

（1）通過MS軟件建立MgO加壓與非加壓模型，并計算介電性質隨單軸壓強和雙軸壓強變化規律，如圖1所示。（a）顯示的是單軸加壓下MgO介電常數變化情況，加壓方向介電常數降低，非加壓方向介電常數基本保持不變。（b）顯示雙軸加壓后MgO加壓方向介電常數下降，沒有加壓方向介電常數基本不變。

（2）分析單軸加壓、雙軸加壓下MgO雙折射隨壓強的變化規律。單軸加壓后MgO折射率逐漸減小，與壓強呈線性變化關系。雙軸加壓時MgO雙折射從負值逐漸升高，變為正值，這表明MgO通過加壓可以由負單軸晶體轉化為正單軸晶體。

MgO為面心立方晶體，由鎂離子和氧離子構成，其離子極化率由Lorentz-Lorenz關系式得到。光頻波段，光頻介電常數？著∞與離子極化率？琢可以用Lorentz-Lorenz關系式表示：

4 結論

在探究MgO應力雙折射與壓強的關系過程中，討論了宏觀外部作用對晶體內部粒子分布及電子極化的影響。從唯象理論形象展示了彈性形變對晶體結構的影響，并與實驗數據進行對比，討論唯象理論與計算中誤差產生的原因。同時從現代計劃理論，將粒子內部相互作用當作有效場考慮，討論外應力對粒子位置的改變，分析粒子間庫倫相互作用的變化，以及該變化對電子結構重新分布的影響。揭示了MgO外部應力與微觀結構的關系，這是對立方晶體彈性-光學性質的重要補充。同時，該理論的研究方法為其他外部條件如熱應力、電場、磁場等對MgO晶體光學性質的影響提供了有效參考。

參考文獻：

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