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《上海理工大学》 2005年
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钨酸铅晶体电子结构和光学性质的研究

刘廷禹  
【摘要】:PbWO_4晶体具有高密度、辐射长度短和价格便宜等优点,而且其发光带中的420nm发光带衰减时间短,而被选为本世纪初在欧洲核子中心(CERN)建设的大型强子对撞机LHC上CMS谱仪的电磁能量器探测材料。由于它在室温下的发光效率很低、发光性能和抗辐照硬度都与样品有关,因此提高钨酸铅晶体的光产额和抗辐照硬度成为国内外研究的热点。钨酸铅晶体在高能辐照下很容易着色并出现330nm、360nm、420nm以及500-700nm吸收带,其中420nm吸收带与钨酸铅晶体被选作闪烁材料的快速分支的420nm蓝发光部分重叠,这大大地降低了钨酸铅晶体的光产额。因此研究钨酸铅晶体吸收带的结构起因就成为关键性问题。钨酸铅晶体是一种典型的非化学计量晶体,存在着大量的铅空位和氧空位,仔细研究钨酸铅晶体中这些本征缺陷可能产生的吸收带并建立对应的色心模型可为提高钨酸铅晶体的辐照硬度提供理论依据,具有深远的指导意义。本文针对这些问题展开研究。 本文主要工作分三部分,第一部分为与硅酸盐研究所合作完成的实验(第三章),该部分为理论计算和缺陷模型的设计打下了良好的基础;第二部分为利用密度泛函理论模拟计算了完整的和含缺陷的钨酸铅晶体的电子结构以及光学性质以及类白钨矿结构的电子结构(第四,五,六章);第三部分为钨酸铅晶体中缺陷模型的研究(第七章)。 第一部分与硅酸盐研究所合作,通过对钨酸铅晶体不同温度条件下的退火处理、340nm单色光辐照、411nm单色光的再辐照钨酸铅晶体吸收带变化情况以及高能辐照赋色后钨酸铅晶体的偏振吸收光谱的研究得到钨酸铅晶体各个吸收带的热稳定性和偏振特性以及它们之间相互转化的关系,并首次提出钨酸铅晶体中350nm吸收带是一个复合带,它由峰值位于330nm和360nm两个吸收带复合而成。这些实验结果为理论模拟计算和色心模型设计的研究提供了实验基础。 第二部分根据密度泛函理论以及光学参数与固体电子结构之间的关系模拟计算了钨酸铅晶体的电子结构以及光学常数的色散关系,分析了电子结构与基本光学参数之间的关系以及它们的偏振特性。通过对完整的和含空位的钨酸铅晶体计算结果的比较得到以下结果:(1) 钨酸铅晶体中360nm和420nm吸收带与铅空位的存在以及氧空位的存在都有关;(2) 而330nm和500-700nm吸收带与铅空位的存在有关;(3) 钨酸铅晶体中铅氧空位对的存在不会引起可见光和近紫外区域的
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