摻雜Nd3+離子CsCdBr3晶體光譜的理論分析

蘇 萍，李邦興

(重慶理工大學 光電信息學院，重慶 400054)

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摻雜Nd3+離子CsCdBr3晶體光譜的理論分析

蘇 萍，李邦興

(重慶理工大學 光電信息學院，重慶 400054)

運用稀土自由離子理論和晶體場理論，通過對摻雜Nd3+離子的CsCdBr3晶體的發光光譜的計算分析，分別擬合了實驗光譜數據中的28、47和65條能級，得出理論晶場能級與實驗值的標準差分別為3.83，12.367和25.852 cm-1。該結果比已有的擬合結果小得多，表明此計算結果與實驗光譜吻合得較好，說明擬合過程和方法是合理的。同時得到了合理的自由離子參量和晶場參量，為進一步研究稀土離子在晶體材料中受到晶體場作用的各種物理機制打下基礎。

CsCdBr3；Nd3+；晶場能級；擬合

摻雜稀土離子的CsCdBr3晶體是廣泛應用的發光和激光材料[1-2]，研究CsCdBr3晶場中稀土離子光譜特性對光學材料和相關器件的開發應用具有重要意義。本文對CsCdBr3晶場中摻雜3價稀土釹離子(Nd3+)的發光光譜進行了計算分析，得到與實驗光譜數據符合較好的理論晶場能級結果和相關擬合參量，并對計算結果進行了分析。

1 能級計算擬合

晶體中稀土離子的4fN組態的能級分裂是稀土自由離子內部作用Hf和晶體場作用HCF共同作用的結果，總的有效算符哈密頓量可表示為

(1)

其中Hf是稀土自由離子本身復雜的電子構型引起的各種相互作用的總和[3-4]，即

(2)

式中:Fk(k=2,4,6)代表庫侖相互作用；ζ是自旋-軌道相互作用參數；α,β,γ代表二體作用；Tm(m=2,3,4,6,7,8)代表三體相互作用參數；Pk表示靜電相互作用和自旋-軌道相互作用耦合；Mj(j=0,2,4)為徑向積分，包含了軌道之間、自旋之間、自旋和其他軌道之間的相互作用。

晶場作用HCF主要由摻雜Nd3+離子和在CsCdBr3晶場中Cd2+位置的C3v點群對稱決定[5-8]：

(3)

式中：Ckq為球張量算符；Bkq為需要擬合的晶場參量。

根據以上光譜理論建立完全能量矩陣，通過對角化，采用Yeung[9]編寫的fshell程序對CsCdBr3晶體中Nd3+的的晶場能級重新進行理論擬合。擬合參數和28條晶場能級分別如表1、2所示[5-6]。

標準差σ公式為[3，10-11]：σ=[∑ (Eobs-Ecalc)2/N]1/2，其中：N表示擬合能級數目；Eobs和Ecalc分別代表實驗能級和計算結果。擬合時采用了合理的經典比例[11-12]：M2=0.56M0，M4=0.38M0，P4=0.75P2，P6=0.50P2。表1中A,B,C分別表示擬合CsCdBr3晶場中Nd3+離子的能量最低的28、47、65條能級所得的擬合參量。

表1 CsCdBr3晶體中Nd3+的自由離子和晶場能級 cm-1

表2 CsCdBr3晶體中Nd3+離子的65條晶場能級

續表

多重態實驗能級計算能級ΔE4I13/238593844．414．638613856．174．83238623856．415．59440134015．92-2．92240204036．47-16．4740364046．62-10．6240754075．95-0．9494I15/258185797．3520．6558275811．8615．1458655863．391．60560606065．27-5．2760686073．27-5．26960876110．58-23．5861356134．830．16761566156．21-0．2114F3/21123211222．429．5771126911275．35-6．3484F5/21222612212．4313．571229112303．94-12．941231212312．01-0．0072H(2)9/21236312414．49-51．491246612451．0114．991247612463．8912．111251812523-4．9981254012543．96-3．9614F7/21320913203．235．771324013235．734．2671326413283．9-19．91335813320．2937．714S3/21334613353．99-7．991334613359．2-13．24F9/21444614453．05-7．0511449114493．76-2．7631450214499．722．2761463314616．616．41465314664．93-11．932H(2)11/21569815758．33-60．331570015772．89-72．891572315776．16-53．161585015789．5160．491585415798．1955．811587315800．6972．31

續表

多重態實驗能級計算能級ΔE4G5/21657316597．64-24．641680416812．14-8．1351682016822．97-2．972G7/21694616988．56-42．561708717030．0256．981711117066．7944．211712017102．5617．444G7/21858618568．0117．991868818692．65-4．6471869618702．5-6．5041875518795．29-40．292P1/22292722916．6410．36

2 結果分析

本文對CsCdBr3晶體中Nd3+光譜進行計算分析時考慮了自旋-自旋相互作用Hss會影響晶場理論中的二體作用，由此對晶場能級分裂造成影響[9]。從表1中的擬合參量可以看出，分別擬合實驗光譜數據中的28條、47條和65條能級，得出的理論晶場能級與實驗值的標準差σ分別為3.83，12.367和25.852 cm-1。相比Barthem[5]的研究成果(6.6，15和31 cm-1)，以及李彩云[6]所得擬合的65條能級的σ=29.27 cm-1，本文得出的σ有了明顯的減小，意味著本文中的晶場能級的理論值與實驗譜數據吻合得更好，擬合結果更為理想，表明Hss對晶體中稀土離子的晶場作用的貢獻是不可忽略的。

表2中顯示的晶場能級擬合結果顯示出某些多重態的能級與實驗值偏差較大，如2H11/2(見表2)。這個結果與已有的其他基質晶體中的4f3離子Nd3+的2H11/2多重態擬合偏差較大的結論一致[13-14]。在進一步研究晶體中Nd3+離子的晶場能級時，可考慮加入關聯晶場的作用以得到與實驗光譜數據更為一致的結果。

3 結束語

為了更好地擬合晶體中稀土離子的光譜數據，并得出能真切反映稀土離子在晶體中受到晶場作用的晶場參量，在運用晶體場理論分析晶場能級時需加入Hss和關聯晶場的作用。由于晶場參量與材料的結構對稱有關，因此采用從頭計算材料結構的方法來獲得晶場參量的值成為可能，進而通過掌握摻雜稀土離子的材料的能級劈裂而了解其光譜性質，從而可對相關材料的發光光譜進行解釋，并在一定程度上對其他尚未有實驗數據報道的稀土新材料的光譜進行預測，以期為稀土發光材料的應用提供理論支持，并對高新技術材料的開發發揮理論指導作用。

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(責任編輯 劉 舸)

Theoretical Analysis of Spectra for Nd3+Ions in CsCdBr3Crystals

SU Ping, LI Bang-xing

(College of Optical and Electronic Information,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The optical spectra of Nd3+in CsCdBr3were calculated by using the free rare earth ion theory and crystal field theory. Respectively, 28, 47, 65 experimental crystal field levels were fitted, with the standard deviations of 3.83 cm-1, 12.367 cm-1, 25.852 cm-1. These deviations are significantly smaller than those in previous work. The calculated energy levels fit better with the experimental data, which shows that the calculation process and the method are reasonable. Through this fitting procedure, the reasonable free-ion and crystal-field parameters have been obtained. It is beneficial for further research on the physical mechanisms of crystal field of rare earth ions in crystals.

CsCdBr3; Nd3+; crystal field levels; fitting

2014-11-15 基金項目：國家自然科學基金資助項目(11347172)；重慶市基礎與前沿研究計劃一般項目(cstc2013jcyjA0688)

蘇萍(1985—), 女,博士, 講師, 主要從事稀土摻雜材料光譜特性相關研究。

蘇萍，李邦興.摻雜Nd3+離子CsCdBr3晶體光譜的理論分析[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):21-24.

format：SU Ping, LI Bang-xing.Theoretical Analysis of Spectra for Nd3+Ions in CsCdBr3Crystals [J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):21-24.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.005

O562.3+1

A

1674-8425(2015)03-0021-04