稀土倍半氧化物电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函方法系统计算五种稀土倍半氧化物(R_(2)O_(3),R为Sc、Y、La、Sm、Dy)的电子结构和光学性质。电子结构计算表明,R_(2)O_(3)为间接带隙氧化物,其价带与导带电子存在光学跃迁行为。在光学性质方面,根据能带与态密度分析R_(2)O_(3)的复介电函数、复折射率、反射率、吸收率和损失函数,结果表明,在8.13~14.87 eV范围内,R_(2)O_(3)具备良好的光学吸收与光学反射率,Y_(2)O_(3)的反射率更是达到95%以上。Sc_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)、La_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)和Dy_(2)O_(3)的静态介电常数分别为5.18、4.44、4.58、3.52和3.50,具备作为栅介质材料的潜力。这些结果为R2O3光学材料的设计和应用提供理论依据。

稀土倍半氧化物晶体材料研究进展

稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首,这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果,因此,开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2400℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用,导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用,揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制,开发大尺寸晶体生长技术是目前需要亟待解决的关键科学挑战和技术瓶颈。

Y_2O_3压致结构相变的研究

本文采用金刚石对顶砧高压装置 (DAC) ,利用同步辐射X -ray衍射 ,对Y2 O3粉末样品进行了原位高压X -ray衍射实验 ,最高压力达到 2 3GPa。在研究的压力范围内观察到两个相变。在 12 .8GPa压力点 ,Y2 O3由稀土倍半氧化物的立方结构转变为单斜结构。在 2 1.8GPa压力点 ,样品由单斜结构转变为另一个新相 ,但由于样品峰的消失 ,无法判断其结构。卸压后样品为单斜结构 ,说明Y2 O3第一个压致结构相变为不可逆相变。

RE_(2)O_(3)(RE=Lu,Y,Sc)的氧空位第一性原理计算研究

本研究选择三个电子结构类似的稀土倍半氧化物RE_(2)O_(3)(RE=Lu,Y,Sc),建立适当的模型通过第一性原理计算,研究氧空位对体系的电子结构的影响.本研究以密度泛函理论(DFT)为基础,利用PBE泛函加U值修正计算了纯稀土倍半氧化物的能带结构.计算结果表明三种基体材料RE_(2)O_(3)的能带结构相似.在引入氧空位后,其增加的缺陷能级数目不同,依次为:Sc_(2)O_(3)<Lu_(2)O_(3)<Y_(2)O_(3).