高壓下KMgF3晶體光學性質的第一性原理研究

張 林, 張 瑩, 付 勇, 何 林, 孟川民

(1.四川師范大學 物理與電子工程學院固體物理研究所, 成都610068; 2.中國工程物理研究院流體物理研究所 沖擊波物理與炮轟物理重點實驗室, 綿陽621900)

1 引 言

動態高壓實驗中, 材料的瞬態光譜和沖擊溫度測量常常需要用到透明的光學窗口[1,2]. 因此，沖擊加載下窗口材料在可見光區能否保持透明的問題受到人們特別的關注[1,2], 因為它對實驗結果的準確性有重大影響[3]. 雖然Al2O3和LiF晶體是目前常用的窗口材料[4,5], 但為了適應不同特性實驗樣品的加窗沖擊測量, 人們還需要尋找新的透明窗口材料. 常態下, 氟化鎂鉀(KMgF3)由于具有巨大的能隙(12. 4 eV[6])和較寬的透明波段[7], 所以它有望成為一種新的候選窗口材料. 同時, 它在一個較寬的壓力范圍內可能保持結構的穩定也支持這個想法(KMgF3晶體在100 GPa的壓力范圍內保持Perovskite的結構[7,8]. 窗口材料的結構保持穩定，將有助于更好地解讀加窗沖擊實驗數據). 然而, KMgF3能否真正成為沖擊波實驗的窗口材料, 關鍵還在于它在沖擊壓縮下是否能保持良好的透明性. 研究表明[2,9-12], 存在一些影響材料沖擊透明性的因素(例如, 壓力、空位缺陷和溫度等因素). 所以, 探究這些因素對KMgF3晶體光吸收譜的影響具有重要的科學意義. 另外, KMgF3晶體在高壓下的其它光學性質(例如，能量損失譜等)也是令人感興趣且值得研究的問題, 因為它們對未來的實驗探索可能有重要的參考作用.

目前, 對于上述問題的研究還未見報道. 所以, 本文將采用第一性原理方法, 在100 GPa的壓力范圍內計算了KMgF3理想晶體和含空位缺陷晶體的吸收譜和能量損失譜.

2 模型與計算方法

計算是在Material Studio 7.0下的CASTEP模塊中完成的[14-16], 采用基于密度泛函理論(DFT)框架下的第一性原理來計算KMgF3晶體在高壓下的光學性質[17]. 離子實與價電子之間的相互作用采用超軟贗勢來描述[18]. 用GGA的PBE方案來處理電子間的交換關聯勢. 幾何優化采用了BFGS算法[19], 優化計算的精度由下面條件控制：最大位移偏差為0. 002 ?, 最大應力偏差為0. 1 GPa, 原子間的相互作用力的收斂精度為0. 05 eV /?, 自洽收斂精度為2×10-5eV /atom. 為了證實計算的收斂, 平面波截斷能取為310 eV. 對于KMgF3的理想晶體和缺陷晶體的計算, K點均設置為2×1×2, 空帶數均為144.

為了說明計算數據的合理性, 我們做了如下一些分析：1)本文在零壓下計算得到的KMgF3能隙值與文獻[7]中計算得到的數據基本一致(見圖1), 而且從其能隙隨壓力變化的規律來看，本文的計算結果與文獻[7]給出的結果很相似(見圖1), 這一切都表明本文的計算數據應該是可靠的. 2)KMgF3晶體在零壓下計算得到的能隙值比其實測值[6]低約5.8 eV. 這種差異通常是由第一性原理計算理論的局限性造成, 可視為一種系統誤差[20]. 所以, 本文計算的光學數據還需實施系統誤差修正.

圖1 KMgF3晶體在高壓下的能隙Fig. 1 The band gaps of KMgF3 crystal at high pressure

3 計算結果與討論

3.1 吸收譜

圖2 KMgF3晶體在高壓下的光吸收譜Fig. 2 Optical-absorption spectra of KMgF3 crystal at high pressure

3.2 能量損失譜

圖3 KMgF3晶體在高壓下的能量損失譜(a)理想晶體, (b)缺陷晶體Fig. 3 The loss-function spectra of KMgF3 crystals at high pressure: (a) Perfect crystal, (b) defective crystal

4 結 論

(1) KMgF3晶體吸收譜的吸收邊會隨著壓力的增大出現藍移的現象, 即在100 GPa范圍內, 壓力因素不會導致該晶體在可見光區出現光吸收的現象. 三種空位缺陷的存在會使得KMgF3晶體的吸收邊紅移, 其中氟空位缺陷引起的紅移最顯著. 盡管如此, 這些紅移并未使得KMgF3晶體在可見光區有光吸收行為.

(3)KMgF3晶體有可能成為沖擊波實驗所需的窗口材料，同時本文的計算結果對未來的實驗研究有一定的參考作用.