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先兆性铁电晶体和可调谐激光晶体中过渡金属离子光谱的压力与温度效应的理论研究

张纪平  
【摘要】: 本文论述两方面的研究工作:一方面,用微观理论深入系统地研究计算了SrTiO_3:Cr~(3+)和SrTiO_3:Mn~(4+)两种先兆性铁电晶体的光谱与EPR谱和它们的压力效应,特别是R线的反常热致移位,并揭示了导致这些压力效应的物理原因,尤其是导致它们的R线反常热致移位的不同物理起源;另一方面,将能谱(波谱)压致移位理论与电—声子相互作用导致能谱移位的理论相结合,对可调谐激光晶体GSGG:Cr~(3+)在低温和室温下的光谱及其在压力升高时的移位和谱形剧变进行了系统的微观理论研究计算,阐明了导致这些压力效应的物理根源。 应用配位场理论的强场方案,采用三角基或立方基,考虑立方晶场作用、库仑作用、自旋—轨道相互作用和(或)低对称晶场作用,建立了d~3电子组态的完全能量矩阵,并检验了其正确性。进而从对角化完全能量矩阵得到的能谱与波函数出发,考虑了全电子组态所有可能的波函数混合和相应的诸能级,以及格位对称群的所有不可约表示的诸分量,分别对上述三种晶体进行了微观理论计算。 第一方面,本文首次对SrTiO_3:Cr~(3+)和SrTiO_3:Mn~(4+)的基态g因子及其压致移位、单轴压力导致的SrTiO_3:Cr~(3+)t_2~3~2E和t_2~3~4A_2态的分裂、SrTiO_3:Mn~(4+)R线的热致移位和SrTiO_3:Cr~(3+)R线的热致移位进行了统一的微观理论计算,满意地解释了两种晶体的R线反常热致移位等上述各种实验结果。通过分析得到的常压参量值,揭示了在SrTiO_3:Mn~(4+)中Mn~(4+)与配位体(O~(2-))之间的共价作用比SrTiO_3:Cr~(3+)中Cr~(3+)与配位体(O~(2-))之间的共价作用更强。通过微观理论分析与计算,证实了SrTiO_3:Cr~(3+)中Cr~(3+)周围的局域应变大约为整体应变的两倍;阐明了基态g因子随压力的变化主要来源于D_q~(-1)的变化;发现波函数的混合对单轴 四川大学博士学位论文 压力导致的SrTIO。:C八Z七和小人态的分裂是至关重要的;C(TZ t卜 C(TZ I7) 和 C(TZ C)算符在Ms为正的波函数与M为负的波函数之间的矩阵元不为零, 纠正了过去文献对此的错误处理。 进w通过微观理论分析与计算,阐明了造成SrTIO3:C/”和SrTIO3:M/”R 线反常热致移位的不同物理原因:对 srrioZ:in山,s线非常大的红移是由于杂 质+n’”的局域电子态与晶格振动的声子之间非常强的电一声子相互作用而造。 成的;而对 SrTIOs汇r3\则主要是杂质 Cry的局域电子态与 Cr3”的低频局域振 八 动模之间非常强的电一声子相互作用引起了+线非常大的蓝移,ors”的局域电 子态与晶格振动之间弱的电一声子相互作用仅引起小的红移,二者的代数和产 生了总的反常蓝移结果。理论计算表明,在低温区SrTIO3的晶格振动低频声学 模随温度降低而产生的强烈软化,对SrTIO3:Mn”和SrTIO3:C/”两种晶体的R 线热致移位都产生重要的影响,由此才能解释两种晶体的R线热致移位随温度 变化的行为。对SrTIO3汇广\在低温区低频杂质局域振动模随温度降低而出现 的硬化可能是一种重要的效应,由此可以解释在叶0 cm*处观察到的杂质局域 振动模的强峰。发现热膨胀对两种晶体R线热致移位的贡献都比R线总的热致 移位要小一个数量级。 第二方面,本文首次将能谱压致移位理论与电一声子相互作用导致能谱移 位的理论相结合,对低温下 GSGG:Cr1的常压光谱和凡线压致移位,室温下 GSGG:Cfs”的常压光谱,以及凡线、凡线和、宽带的压致移位,进行了统一 的量子理论计算,获得了与所有实验数据都满意地符合的结果,并清楚地阐明 了它们的微观物理实质。理论分析和计算表明,自旋一轨道相互作用和电一声 于相互作用的联合效应及其随压力的变化导致了GSGG:Cr‘”中Cr‘”的两个激发。 态勺和乃之间的混合并随压力而变化,在宏观上表现为谱线(带)随压力升 高的移位(包括 R线移位的“反转”)以及发射谱形的剧烈变化/ 与乃之间 .、、__,__,___.:,。。_。___._,___,__,,、._、,,,。,,、_, 由这两种相互作用而产生的耦合随压力升高而变小,导致飞波函数中‘乃的混 入成分越来越少,从而凡线在高压下越来越表现出纯t电子态的特征。 本文的计算表明,在对GSGG汇/”所作的各种计算中,“纯电子”部分的 贡献(其中包含了自旋一轨道相互作用的效应)是极为重要的;同时,电一声 子相互作用部分的贡献对能谱、R线的分裂以及谱线(谱带)压致移位都有显 著的影响。在局线(或RZ线)压致移位中,这两部分贡献的行为很不相同, 一互二一 四J!D大学博士学位论文 正是它们的代数和产生了总的压致移位结果。在电一声子相互作用对谱线位置 及其压致移位的贡献中,温度无关项有着非常重要的作用。电一声子相互作用 对、宽带的贡献远大于对 R线的贡献,表明乃宽带的电一声子耦合的确远强 于犬线f 的电一声子耦合。在*S*G汇产的各种计算中,必须计入由于*” 与被取代的 SCy的离子半径的差异而导致的 C/”周围的局域压缩率大于基质晶


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