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《吉林大学》 2004年
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红宝石荧光R_1线的高温高压研究

谢远亮  
【摘要】:高压物理研究中,常用红宝石荧光R_1线随压力增加而红移来标定压力。本论文研究高温高压对红宝石荧光R_1线的影响,研究从实验入手,同时做了相关的理论计算。高温高压实验(5GPa<P<10GPa,1300K<T<2500K)是在激光加热在位高温高压拉曼系统(in situ LHDAC-R)上完成的,理论计算是在运行于高性能工作站上的Materials Studio进行的。 进行红宝石压标的高温高压研究,既是实验上的需求,又有理论上的意义。由于常压下温度对R_1线的影响很大,在1100K时,温度引起R_1线的红移量是195cm~(-1),与26.7GPa压力产生的红移量相当。在高温高压条件下用红宝石标压,需要进行研究的问题有:高温时,压腔內的热压不可忽略;高温高压下,电声相互作用发生变化等。因此在高温高压区对红宝石压标进行校正是一个很重要的问题。 红宝石压标目前的理论解释是以晶体场理论为基础的,它使用的模型是[CrO_6]~(9-),计算方法是含有经验参数的半经验性算法,一般只把Cr~(3+)当作量子体系。由于在高温高压条件下,压腔中红宝石周围的环境很复杂,实验受影响的因素较多,如压机类型、传压介质的选择、垫片是否预压等,要弄清实验中的问题,必须从理论上弄清高温高压对R_1线的影响,而半经验性算法需要从高温高压实验数据中拟和的经验参数,过于依赖实验,无法从根本上解决这个问题。严格的从头算法并不需高温高压实验数据作为计算条件,所以进行从头计算是必要的。 我们实验室在世界上首次把激光加热、金刚石对顶砧(DAC)、拉曼光谱测量等技术结合起来而建立的激光加热在位高温高压拉曼(in situ LHDAC-R)系统,是由激光加热、拉曼光谱测量、光谱测温及加热监控等几个子系统构成的。该系统能实现P>100GPa,T>3000K的极端实验条件,我们已经利用它在开展高温高压在位拉曼光谱、合成新材料、寻找 物质新相等方面研究。该系统需要用红宝石荧光Rl线在高温高压条件下标 定压力,所以本文将研究高温高压对红宝石荧光RI线的影响规律。 本研究中的高温高压实验,选用NaCI作为传压介质和保温材料,为 减少压力梯度的影响,红宝石微粒的直径小于10拜m。垫片采用T301不 锈钢片,样品腔的直径为100拜m。实验共四组,加热前的压力分别 为5.SGPa、6.gGPa、8.OGPa、9.4GPa,压力由红宝石标定。加热过程 中,逐渐增大激光器的功率,通过监视器观察加热情况。对加热中燃烧比 较稳定的状态进行测量,同时收集红外辐射谱和荧光谱,由红外辐射谱计 算出温度。 高温高压条件下测量红宝石荧光Rl线发现:随着温度的升高,高压 会抑制温度引起的红移量。对!Cr06}g一用DFT方法计算晶格畸变对Rl线频 移的影响,得到:Cr一O键长变短,Rl线会红移;O一Cr一O键角变小,Rl线 蓝移。这个结果表明高温高压条件下,Rl线的红移是晶格畸变(Cr一O键 长和O一Cr一O键角的变化)以及电声相互作用(声学支和光学支贡献的叠 加)等多个因素的综合效应。 以A147CrO72为计算模型,用DFT方法计算出室温常压下的能带,计 算值与红宝石的实验值比较相差较大,这是由于计算体系过小引起的。进 一步计算杂质Cr3十进入A12O3后对周围晶格的影响,发现Cr3+对其第三近 邻原子的影响仍不可忽略。 本文使用的从头算法对传统方法作了重要改进,使用的计算模型考虑 了红宝石中Cr3+周围晶格的各向异性,更接近于实际问题,更合理,计算 前不需要用实验数据拟和经验参数。 建议用从头算法计算高温高压下红宝石的能带,计算模型选择 为A场03 CrO306,这个由510个原子构成的大体系需要的运算量很大,有关 计算正在准备进行。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TQ164

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