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掺杂钨酸铅晶体性能的研究及密度泛函理论计算

杨同勇  
【摘要】: 为提高钨酸铅(PbWO4, PWO)晶体的光学性质,晶体的制备及掺杂技术被广泛的研究和应用。本文系统分析及实践证实了提拉法生长质量优良的掺杂PWO晶体的工艺,研究了掺杂后PWO晶体的结构和光学性能。 运用XRD和拉曼光谱测试技术,研究了Sm:PWO , Y:Zn:PWO ,La:Zn:PWO和Yb:Zn:PWO晶体的结构。在掺杂浓度范围内Sm~(3+)离子先占据W6+格位,再占据Pb~(2+)格位;Y~(3+)离子,La~(3+)离子和Yb~(3+)离子占据Pb~(2+)格位,Zn~(2+)占据间隙位置。掺杂未改变PWO晶体的结构,晶胞参数略有变化。 晶体的透射和发射光谱表明,Sm~(3+)离子掺杂后透射强度降低,吸收边红移,出现Sm~(3+)离子特征吸收峰;Sm~(3+)离子和PWO基质的发光存在着竞争作用,其可以抑制PWO本征发光,存在浓度猝灭效应。 Y~(3+)离子和Zn~(2+)离子掺杂可以提高透射强度,随Zn~(2+)离子浓度的增大,透射强度先减小后增大,吸收边紫移,说明Y~(3+)离子和Zn~(2+)离子能与晶体中的缺陷形成缺陷簇,同时存在着竞争作用;Y~(3+)离子掺入可敏化阴离子基团的蓝发光,Zn~(2+)离子的掺杂也有相同的作用。 对La:Zn:PWO和Yb:Zn:PWO晶体的研究结果表明,掺杂后晶体中的VPb″和VO··减少,吸收边向短波方向移动,掺杂剂La~(3+)离子对VPb″的补偿能力强,Yb~(3+)离子对VPb″的束缚能力弱;Yb元素的价态变化影响透射性能;Yb:Zn:PWO晶体异常强的发光性能,除Yb~(3+)离子如La~(3+)离子影响Pb~(2+)对(WO4)2-基团的扰动作用外,与Yb~(3+)离子的4f13壳层有关。 对Y:Zn:PWO晶体的密度泛函理论计算表明:掺杂PWO晶体结构优化后,晶格参数和体积均变小;晶体的能带结构和态密度图可知,掺杂剂Zn~(2+)离子不仅可以平衡晶体中过剩的电荷,还与O原子成键,而Y~(3+)离子仅仅平衡电荷;导带与价带间的能带差高于纯PWO晶体的能量差,电子跃迁的能量增大,与Y:Zn:PWO晶体透射光谱中吸收边向短波方向移动对应。 通过理论计算,可以清晰的了解掺杂剂的作用机理,不同掺杂剂的加入影响不同,相同掺杂剂不同浓度的掺杂,影响也不同。理论计算可以验证实验结果,实现理论与实验的结合。


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