高压下BaLiF3晶体光学性质的第一性原理研究

付 勇, 张 林, 张 莹, 何 林, 孟川民

( 1.四川师范大学 物理与电子工程学院固体物理研究所, 成都610068; 2.中国工程物理研究院流体物理研究所 冲击波物理与炮轰物理重点实验室, 绵阳621900)

1 引 言

冲击高压领域中的温度和光谱实验常常需要用到透明的窗口材料[1]. 对于这些窗口材料, 人们非常关注冲击压缩下它们在可见光区能否保持透明的问题, 因为这对实验结果的准确性有重要的影响[2]. 虽然Al2O3和LiF晶体是目前冲击波实验中常用的光学窗口材料[3, 4], 但为了满足不同特性实验样品的测量, 人们还需要寻找新的窗口材料. 常态下, BaLiF3晶体具有较高的密度(5.2376 g/cm3)[5]、较宽的能隙(8.41 eV)[6]以及良好的光学透明性, 因此它有望成为一种候选的窗口材料. 不过, BaLiF3晶体能否成为冲击波实验中的窗口材料, 关键还在于它在冲击压缩下是否仍能保持良好的透明性. 通常, 有三种因素可能会影响材料的冲击透明性: (1) 冲击诱导的压力和温度(这两个因素可能会导致材料的能隙发生变化, 从而影响它的光吸收性[7-9]); (2) 冲击诱导的空位点缺陷(在强冲击压缩下, 固体材料内部会出现高浓度的空位点缺陷，而且这些缺陷可能对材料的光学性质有显著的影响[10, 11]). 于是, 探究这些因素对BaLiF3吸收光谱的影响有重要的科学意义和技术需求. 另外, BaLiF3晶体在冲击压缩下其折射率的变化规律也需要研究, 因为这些信息对正确解读VISAR(velocity interferometer system for any reflector)测量数据至关重要[12, 13]. VISAR实验通常采用波长为532 nm的光源[13, 14], 所以研究冲击压缩下BaLiF3晶体在该波长处折射率的变化规律有重要的价值.

然而, 对于上述研究问题目前暂无报道. 所以, 本文利用第一性原理的方法, 在190 GPa 的压力范围内, 计算了BaLiF3理想晶体和含空位点缺陷晶体的吸收谱和折射率.

2 模型与计算方法

计算是在Material Studio 7.0下的CASTEP模块中完成的[18-20]. 采用基于密度泛函理论(DFT) 的第一性原理来计算BaLiF3晶体在高压下的光学性质[21]. 离子实和价电子的相互作用采用超软赝势来描述[22]. 用广义梯度近似(GGA) 的PBE计算方案来处理电子间的交换关联势[23]. 充分的几何优化采用了BFGS算法[24]. 优化计算的精确度由下面条件控制: 最大位移偏差0.002 Å, 最大应力偏差为0.1 GPa, 原子间的相互作用力的收敛精度为0.05 eV /Å, 自洽收敛精度为2×10-5eV /atom. 为了证实计算的收敛, 平面波截断能取为300 eV. 对于BaLiF3的理想晶体和缺陷晶体, K点设置为2×1×2, 空带数均为220.

为了说明计算数据的合理性, 我们做了如下一些分析：(1) 本文在零压下计算得到的BaLiF3能隙值是6.531 eV，与文献[16]的计算数据(6.14 eV)以及文献[25]的计算数据(6.8 eV)接近, 而且从其能隙随压力变化的规律来看, 本文的计算结果与文献[16]给出的结果很相似(见图1), 这一切都表明本文的计算结果应该是可靠的. (2)在零压下计算得到的BaLiF3能隙值要低于实验值[6]大约1.879 eV. 这种差异通常是由于第一性原理计算理论的局限性造成的, 可以视为一种系统误差[26]. 因此, 本文的计算数据还需要进行系统误差的修正.

图1 BaLiF3晶体在高压下的能隙Fig. 1 Band gaps of BaLiF3 crystal at high pressures

3 计算结果与讨论

3.1 吸收谱

图2 BaLiF3晶体在高压下的光吸收谱Fig.2 The optical absorptions of BaLiF3 crystal at high pressures

3.2 折射率

图3 给出了190 GPa 范围内BaLiF3晶体在532 nm 处的折射率随压力变化的规律. 理想晶体数据表明: (1)在0 GPa 处的计算结果与其实验数据[27]基本一致, 说明本文的计算数据是可靠的. (2) BaLiF3的折射率将随压力升高而增大. 同时, 缺陷晶体数据指明, 氟空位点缺陷将导致BaLiF3的折射率增大, 但钡空位点缺陷和锂空位点缺陷的存在对其基本没有影响.

图3 BaLiF3晶体在高压下的折射率Fig.3 The refractive indexes of BaLiF3 crystal at high pressures

4 结 论

本文采用第一性原理, 在190 GPa的压力范围内，计算了BaLiF3理想晶体和含空位点缺陷晶体的光吸收谱和折射率, 并获得以下结论:

(1)在30 GPa的范围内, 随压力的增大BaLiF3的吸收边蓝移; 而在30 GPa以上, 却随压力的增加其吸收边出现红移的行为. 此外, 空位点缺陷的存在也会使得吸收谱的吸收边发生红移, 其中氟空位缺陷引起的红移最显著. 尽管如此, 上述这些红移的行为并没有导致BaLiF3晶体在可见光区出现光吸收的现象.

(2)532 nm处的折射率数据表明, BaLiF3的折射率将随压力升高而增大; 同时, 氟空位点缺陷将导致其折射率增加, 而钡空位点缺陷和锂空位点缺陷的存在对其基本没有影响. 本文的计算结果表明, BaLiF3晶体有望成为冲击波实验的窗口材料, 建议开展进一步的实验研究.