高壓下KMgF3晶體光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究

張 林, 張 瑩, 付 勇, 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

動態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)中, 材料的瞬態(tài)光譜和沖擊溫度測量常常需要用到透明的光學(xué)窗口[1,2]. 因此，沖擊加載下窗口材料在可見光區(qū)能否保持透明的問題受到人們特別的關(guān)注[1,2], 因?yàn)樗鼘?shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重大影響[3]. 雖然Al2O3和LiF晶體是目前常用的窗口材料[4,5], 但為了適應(yīng)不同特性實(shí)驗(yàn)樣品的加窗沖擊測量, 人們還需要尋找新的透明窗口材料. 常態(tài)下, 氟化鎂鉀(KMgF3)由于具有巨大的能隙(12. 4 eV[6])和較寬的透明波段[7], 所以它有望成為一種新的候選窗口材料. 同時, 它在一個較寬的壓力范圍內(nèi)可能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定也支持這個想法(KMgF3晶體在100 GPa的壓力范圍內(nèi)保持Perovskite的結(jié)構(gòu)[7,8]. 窗口材料的結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，將有助于更好地解讀加窗沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)). 然而, KMgF3能否真正成為沖擊波實(shí)驗(yàn)的窗口材料, 關(guān)鍵還在于它在沖擊壓縮下是否能保持良好的透明性. 研究表明[2,9-12], 存在一些影響材料沖擊透明性的因素(例如, 壓力、空位缺陷和溫度等因素). 所以, 探究這些因素對KMgF3晶體光吸收譜的影響具有重要的科學(xué)意義. 另外, KMgF3晶體在高壓下的其它光學(xué)性質(zhì)(例如，能量損失譜等)也是令人感興趣且值得研究的問題, 因?yàn)樗鼈儗ξ磥淼膶?shí)驗(yàn)探索可能有重要的參考作用.

目前, 對于上述問題的研究還未見報道. 所以, 本文將采用第一性原理方法, 在100 GPa的壓力范圍內(nèi)計(jì)算了KMgF3理想晶體和含空位缺陷晶體的吸收譜和能量損失譜.

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[14-16], 采用基于密度泛函理論(DFT)框架下的第一性原理來計(jì)算KMgF3晶體在高壓下的光學(xué)性質(zhì)[17]. 離子實(shí)與價電子之間的相互作用采用超軟贗勢來描述[18]. 用GGA的PBE方案來處理電子間的交換關(guān)聯(lián)勢. 幾何優(yōu)化采用了BFGS算法[19], 優(yōu)化計(jì)算的精度由下面條件控制：最大位移偏差為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?10 eV. 對于KMgF3的理想晶體和缺陷晶體的計(jì)算, K點(diǎn)均設(shè)置為2×1×2, 空帶數(shù)均為144.

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KMgF3能隙值與文獻(xiàn)[7]中計(jì)算得到的數(shù)據(jù)基本一致(見圖1), 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)[7]給出的結(jié)果很相似(見圖1), 這一切都表明本文的計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)該是可靠的. 2)KMgF3晶體在零壓下計(jì)算得到的能隙值比其實(shí)測值[6]低約5.8 eV. 這種差異通常是由第一性原理計(jì)算理論的局限性造成, 可視為一種系統(tǒng)誤差[20]. 所以, 本文計(jì)算的光學(xué)數(shù)據(jù)還需實(shí)施系統(tǒng)誤差修正.

圖1 KMgF3晶體在高壓下的能隙Fig. 1 The band gaps of KMgF3 crystal at high pressure

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 吸收譜

圖2 KMgF3晶體在高壓下的光吸收譜Fig. 2 Optical-absorption spectra of KMgF3 crystal at high pressure

3.2 能量損失譜

圖3 KMgF3晶體在高壓下的能量損失譜(a)理想晶體, (b)缺陷晶體Fig. 3 The loss-function spectra of KMgF3 crystals at high pressure: (a) Perfect crystal, (b) defective crystal

4 結(jié) 論

(1) KMgF3晶體吸收譜的吸收邊會隨著壓力的增大出現(xiàn)藍(lán)移的現(xiàn)象, 即在100 GPa范圍內(nèi), 壓力因素不會導(dǎo)致該晶體在可見光區(qū)出現(xiàn)光吸收的現(xiàn)象. 三種空位缺陷的存在會使得KMgF3晶體的吸收邊紅移, 其中氟空位缺陷引起的紅移最顯著. 盡管如此, 這些紅移并未使得KMgF3晶體在可見光區(qū)有光吸收行為.

(3)KMgF3晶體有可能成為沖擊波實(shí)驗(yàn)所需的窗口材料，同時本文的計(jì)算結(jié)果對未來的實(shí)驗(yàn)研究有一定的參考作用.