压力及缺陷对蓝宝石电子结构影响的第一性原理研究

《压力及缺陷对蓝宝石电子结构影响的第一性原理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第23卷第4期四川理工学院学报(自然科学版)Vol_23No．42010年8月JournalofSichuanUniversityofScience＆Engineering(NaturalScienceEdition)Aug．2010文章编号：1673—1549(2010)04-0401-03压力及缺陷对蓝宝石电子结构影响的第一性原理研究何林，何旭，房勇，曾明凤，唐明杰，薛学东(1．四川师范大学物理与电子工程学院，成都610068；2．成都职业技术学院，成都6100gl；3．西南交通大学高温高压物理所，成

2、都610031)摘要：基于密度泛函理论下的平面波超软赝势方法，计算了蓝宝石在三种结构相(Corundum相、Rh0(II)相、CairO相)下的晶格参数随压力变化的关系，并得出了不同压力下的晶格常数间的比值。同时还计算了在131．2GPa压力下不同点空位缺陷(V。“、V。“、V。-。、V。～、V。)对80个原子的超原胞ALO(CairO相)晶体参数影响。最后为了进一步分析蓝宝石的电子结构，本文还计算了131．2GPa压力下的ALO(CairO相)下的理想晶体和含+2价氧空位时的总和分态密度，并将二者作了对

3、比，结果表明+2价氧空位存在时有电子缺陷态出现。关键词：ALO；第一性原理；压强；缺陷；电子结构；晶格参数；态密度中图分类号：0469文献标识码：A问题最早是由Barker等人在1970年提出来的。最近引言的冲击实验证实，在大约100GPa冲击压力范围内在常态下，蓝宝石(A1，O)是一个绝缘性以及光学A1：O3是透光的，在100GPa以上，A12O，透明性降低。透明性都很好的固体材料，且具有高电阻率和良好的冲通常认为，A1：O作为冲击温度测量透明窗El材料可使击阻抗。因此，在高压科学中，常被用作窗口材料。

4、用的压力范围为200GPa。WeirS．T等人推测，A1O然而，冲击实验和理论计算都表明，当压强达到130窗口材料的光透性降低是与该材料在受冲击过程中诱GPa左右时，A1O的电导率会发生突增，这表明如果用导的点缺陷有关。因此，本文还研究点缺陷对A1O电A1O，做窗口材料，当压力超过130GPa时，所测得样品子结构的影响。的电导率将可能出现较大误差，所以在兆巴冲击压力1计算方法区，需要仔细地检验被测样品在这个压力区内的电导率的数量级是否远大于A1O电导率的数量级，这样就可基于密度泛函理论，利用局域梯度近似(

5、LDA—CA以有效地避免在冲击压缩下因绝缘窗口失效而导致的—Pz)，使用MaterialStudios4．3软件包中的Castep计算分流效应，并使得测量的数据具有准确性。另外，受外程序分别对A1O，在三个相(Corundum、RhO(II)、界压力影响，A1O，在不同的高压下将发生不同结构相CairO)下不同结构的能量最小值进行第一性原理计算。变，我们认为，AIO的这种电导率突变现象可能与其图I(a)、(b)、(C)分别给出了A1O在三种结构下的原相变有关。本文首先通过第一性原理计算方法，分析胞模型。采

6、用基于平面波基组的超软赝势描述离子实A1O，的晶格参数和晶格参数比值随压力变化的行为，与价电子之间的相互作用势，选取O一2S2P，A1—以此来研究高压相变对该材料结构的影响。另外，有实3s3P组态电子作为价电子，其它轨道电子视为芯电子验研究表明，窗口材料的光学透明性会随着冲击压力来计算。在倒易的K空间中，平面波截断能(E)选取的增加而降低，A1O材料在冲击作用下丧失透光性的为300eV，系统总能量和电荷密度在对Brillouin区的积收稿日期：2010-03—18基金项目：国家自然科学基金(1029904

7、0)；四川师范大学科技基金作者简介：何林(1963一)，男，四川成都人，副教授，博士，主要从事高温高压凝聚态物理方面的研究。堡堂堕堂垫f自然科学版)2010年8月表1AlO。三个相的晶体结构参数(a)(深色为铝原子，浅色为氧原子)图2CairO3相AI2O3超原胞模型2结果与讨论理论计算。。表明，在OK时，压力在80—113GPa及131．2—172GPa范围内AIO分别发生从Corundum到Rh0(II)的结构相变及从RhO，(II)变化为CairO，结构。本文在计算各个相下的晶格参数随压强变化关系时

8、分别取了不同的压力点。图3中的图(a)、(b)及(C)分别给出了A1：0完整晶体在三个不同结构相下的晶格参数a,b和C随压强变化的关系。从图(a)、(b)及图(C)可以看出在三个结构相下完整晶体A1O的三个晶格参数a、b、C同一结构相下随着(a)Corundum相(b)Rh203(II)相(e)CairO3相压力的增加其晶格常数都是逐渐减小的，尤其是在第一图1Al2O3原胞模型相(Corundum)下，减小的趋势尤为明显，但当