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钨酸铅晶体中的填隙氧及掺杂机理

陈腾  
【摘要】: 钨酸铅晶体PbWO4(PWO)由于具有密度大,辐照波长短,辐照硬度高,ns级快速发光及成本低等优势,成为欧洲核子中心(CERN)建设的大型强子对撞机(LHC)中电磁量能器用的首选材料,从而钨酸铅晶体作为一种闪烁材料成为近年来国内外研究的热点。但是,到目前为止人们对该晶体的辐照诱导色心吸收带的起源问题仍然存在不同的观点,甚至是相互矛盾的观点。因此研究PWO晶体吸收带的结构起因以及怎样通过掺杂等途径来抑制对晶体有害的吸收带就成为关键性问题。 近几年来,各国学者通过不同的实验发现PWO晶体350nm本征吸收带与晶体中的填隙氧有着密切的联系。但是目前对于填隙氧在晶体中的存在机制以及其对晶体光学性质的影响国内外没有明确的阐述,事实上仅仅通过实验也很难确定填隙氧的存在机制。掺一定的杂质离子尤其是三价阳离子对于抑制晶体有害吸收,提高光产额具有一定的作用,但是由于掺杂浓度的不同,晶体中会伴随出现各种不同的光学现象,有些甚至是有害的,这主要是由于在不同的掺杂浓度下,杂质离子在晶体中的存在机制也不尽相同。本文针对这些问题进行了一系列的研究工作。内容主要由五个部分组成:PWO晶体的研究背景的介绍(第一章);计算机模拟计算的理论基础(第二章);填隙氧原子在晶体中的存在机制及其对晶体光学性质的影响(第三章);晶体420 nm吸收带的来源以及不同浓度三价离子掺杂PWO晶体的性质的研究(第四章);Nb掺杂PWO晶体的计算机模拟(第五章)。 第一部分,绪论。主要阐述了PWO晶体研究背景及其研究现状和本文将要展开的主要研究内容。 第二部分,简述了密度泛函理论、并对模拟计算软件GULP和DV-Xα,CASTEP作了简单介绍。 第三部分,首先利用GULP软件确定了填隙氧原子在晶体中最可能存在的位置,并运用基于密度泛函理论的全数值自洽DV-Xα方法计算了包含填隙氧原子的PWO晶体的电子结构,计算结果表明:当填隙氧处在(WO4)2-的周围时,容易与(WO4)2-上的一个或两个氧离子相互作用形成分子离子O22-或O34-,晶体中的氧分子离子引起了PWO晶体350nm吸收。 第四部分,首先计算了含铅空位PWO晶体的电子结构,揭示了晶体420nm有害吸收的起因。接着对三价阳离子La3+,Y3+掺杂PWO晶体中可能存在的各种电荷补偿机制进行了计算分析,在此基础上,计算得到了不同浓度La3+,Y3+掺杂PWO晶体的电子结构,揭示了三价阳离子在不同浓度下掺杂的存在机制以及对晶体光学性质影响的物理本质。 第五部分,对Nb5+掺杂PWO晶体中可能存在的各种缺陷的能量进行了计算,确定了在Nb5+掺杂PWO晶体中最可能存在的电荷补偿机制,进一步利用CASTEP对完整PWO晶体,含孤立铅空位PWO晶体和Nb5+掺杂PWO晶体的电子结构进行了计算,研究了Nb5+掺杂对PWO晶体光学性质的影响。


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