Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


МОДЕЛИРОВАНИЕ F-, VK-, H-ЦЕНТРОВ И АЛЭ В ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ

Работа №101641

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

физика

Объем работы24
Год сдачи2011
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
23
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Необходимость интерпретации экспериментальных результатов, касающихся свойств дефектов в твердых телах, требует постоянного развития теоретических методов исследования. На сегодняшний день прогресс в этом направлении возможен благодаря совершенствованию компьютерных технологий и разработке современных программных комплексов квантовохимических расчетов (CRYSTAL, VASP, WIEN2k, ABINIT, SIESTA, Quantum-ESPRESSO и др.). Эти программы, по сути, являются надежным и апробированным инструментом, позволяющим теоретически исследовать электронное строение кристаллов и получать результаты, которые по своей точности не уступают экспериментальным измерениям. Не-смотря на значительные достижения в разработке и реализации новых методов до сих пор остается актуальной проблема описания обменно-корреляционного потенциала. Наиболее критичными к его выбору являются, например, автолокализованные дефекты в ЩГК. Их расчеты с применением стандартных методов теории функционала плотности (DFT) систематически отклоняются в сторону делокализованных электронных состояний, что противоречит факту существования данных дефектов (Ук-центров и АЛЭ). На этом фоне перспективным оказывается использование гибридных функционалов и отход от их стандартной формы, что создает предпосылки для получения корректных результатов для упомянутых дефектов. В связи с этим возникает необходимость в параметризации гибридного метода, т. е. повышении доли хартрифоковского обмена, для получения адекватного описания пространственной и электронной структуры как идеальных, так и содержащих дефекты кристаллов.
Подобную параметризацию необходимо проводить на хорошо изученных тестовых объектах, в качестве которых в работе взяты галоидные кристаллы, традиционно являющиеся модельными в физике твердого тела. В этих кристаллах интенсивно исследуются собственные первичные радиационные дефекты, к которым обычно относят F- и Н-центры, автолокализованные дырки (Ук-центры), а также автолокализованные экситоны (АЛЭ). Данные дефекты являются важными звеньями при исследовании эволюции электронных возбуждений, поэтому знания об их свойствах и структуре значимы не только для описания их особенностей, но и при анализе процессов дефектообразования в твердых телах.
Наиболее изученными среди них являются F-, Н- и Ук-центры, для которых экспериментально получен большой набор характеристик, касающихся их парамагнитных и оптических свойств. Однако для некоторых из этих дефектов существуют неоднозначные оценки параметров, в частности, экспериментально не измерено поглощение Н-центра в LiF, а в KCl теоретические исследования этого дефекта затруднены предсказанием не соответствующей эксперименту ориентации.
С точки зрения практических применений ЩГК (дозиметрия ионизирующих излучений, элементы лазерной техники и т. д.) вызывают интерес АЛЭ. По этому дефекту есть более значительный недостаток расчетных данных, что поднимает ряд вопросов по природе собственной люминесценции в некоторых кристаллах, например, в LiF. Проблематичность теоретического изучения АЛЭ связана с ошибками используемых приближений, которые, как уже отмечалось, приводят к делокализации экситона. Помимо этого исследования АЛЭ усложняются его двухкомпонентностью, из-за чего от методов, используемых в квантовомеханическом моделировании дефекта, требуется корректное описание не только хорошо локализованных, но и делоклизованных состояний. Аналогом первых в ЩГК являются дырочные дефекты (VK- и Н-центры), а ко вторым можно отнести F-центры. Таким образом, достоверное изучение АЛЭ невозможно без моделирования всего этого набора дефектов, которые вместе с автолокализованным экситоном являются объектами исследования в данной работе.
Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в изучении электронного строения, пространственной структуры, оптических и парамагнитных свойств F-, VK-, H-центров и АЛЭ в галоидных кристаллах (на примере LiF, NaCl, KCl, CsCl, CsBr, CsI, CaF2, SrF2, BaF2) на основе имеющихся теоретических и экспериментальных данных и вновь полученных результатов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• провести исследование в области применения обменно-корреляционных функционалов, базирующихся на гибридной схеме расчета, для изучения идеальных галоидных кристаллов и дефектов в них;
• используя пакет CRYSTAL, провести расчеты энергетических характеристик зонной структуры, парциального состава зон, а также объемных свойств идеальных кристаллов LiF, NaCl, KCl, CsCl, CsBr, CsI, CaF2, SrF2, BaF2для обоснования корректности выбранного метода и используемых параметров моделирования;
• провести расчеты пространственной структуры, электронных, оптических и парамагнитных свойств F-центров и дырочных дефектов; сопоставить их с экспериментальными результатами;
• провести моделирование сложных двухкомпонентных дефектов, содержащих электронную и дырочную составляющие, на примере автолокализованных экситонов в ЩГК; описать их структуру и свойства.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• на основе единого подхода методом B3LYP40 в рамках гибридного потенциала c 40% хартрифоковского обмена выполнено моделирование пространственного строения, зонной структуры, плотности состояний, оптических и парамагнитных свойств как идеальных кристаллов LiF, NaCl, KCl, CsCl, CsBr, CsI, CaF2, SrF2, BaF2, так и собственных дефектов в них (F-, VK-, H-центров и АЛЭ).
• впервые зонными методами рассчитано поглощение H-центра в LiF, для которого методом B3LYP40 получено значение энергии Е-полосы, равное 4.97 eV. Кроме того, показано, что резкое увеличение энергии поглощения на ~1.5 eV в H-центре по сравнению с VK-центром в LiF связано с уменьшением межатомного расстояния в молекулярном ионе Х2~.
• впервые проведено моделирование АЛЭ в LiF и расчет энергий поглощения электронной составляющей АЛЭ в KCl. На основе полученных результатов подтвержден вывод о собственном характере люминесценции триплетного АЛЭ в LiF около 3.4 eV (расчет B3LYP40 дает 3.78 eV). Сделано предположение о том, что более точной экспериментальной оценке энергии поглощения электронной составляющей АЛЭ в KCl отвечает цифра 2.45 eV. Именно этой энергии соответствует рассчитанное методом B3LYP40 значение Апогл.2 2.43 eV, связанное с переносом электрона вдоль направления <110>.
Научная и практическая значимость работы заключается в следующих основных моментах. Установлены параметры обменно-корреляционного функционала и необходимые вычислительные параметры (базисные наборы атомов, размерность суперячеек и особенности модели дефектов в кристаллах), которые в совокупности обеспечивают корректный расчет свойств широкого набора дефектов в галоидных кристаллах. Полученные результаты по поглощению, люминесценции и константам сверхтонкого взаимодействия исследованных дефектов могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных оптической спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса.
Защищаемые положения:
1. Обоснование использования модифицированного обменно-корреляционного потенциала, включающего 40%-ную долю хартрифоковского обмена, для описания автолокализованных состояний на основе сопоставления расчетных и известных экспериментальных данных относительно электронной структуры простейших дефектов и идеальных галоидных кристаллов.
2. Оригинальные результаты зонных расчетов, полученные из первых принципов с использованием модифицированного обменно-корреляционного потенциала, электронной структуры, энергий поглощения и параметров пространственного строения F-, VK- и H-центров в галоидных кристаллах. В частности, оценено экспериментально неизвестное поглощение H-центра в LiF, энергия Е-полосы которого составляет 4.97 eV.
3. Обоснование использования в рамках зонных расчетов асимметричной модели АЛЭ в ЩГК на основе удовлетворительного согласия вычисленных параметров триплетного асимметричного АЛЭ с экспериментальными данными. Подтвержден вывод о собственном характере люминесценции триплетного АЛЭ в LiF около 3.4 eV (расчет B3LYP40 дает 3.78 eV).
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением хорошо апробированного программного пакета зонных расчетов CRYSTAL, в котором реализовано ЛКАО-представление для кристаллических орбиталей, и подтверждается согласием полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными, а также результатами предшествующих расчетов.
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных экспертным советом ВАК по физике. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XIII Международной конференции «Радиационная физика и химия неорганических материалов» (RPC-13, г. Томск, 10-15 сентября 2006 г.), Международной научной конференции «Моделирование физико-химических процессов в физике конденсированного состояния» (Казахстан, г. Актобе, 11-12 мая 2007 г.), 15-ой Международной конференции «Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter» (France, Lyon, 7-11 July 2008), IX Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-9, г. Екатеринбург, 17-23 ноября 2008 г.), IV Уральском семинаре «Люминесцентные материалы и твердотельные детекторы ионизирующих излучений» (ТТД-2008, г. Екатеринбург, 13-14 ноября 2008 г.), 15-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово - Томск, 26 марта - 2 апреля 2009 г.), XIV Международной конференции «Радиационная физика и химия неорганических материалов» (RPC-14, Казахстан, г. Астана, 6-10 октября 2009 г.), VII Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (г. Томск, 2-10 октября 2010 г.).
Личный вклад автора. Основная часть расчетов, представленных в работе, интерпретация и формулировка результатов и соответствующих защищаемых положений сделаны лично автором.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 189 страниц, включая 52 рисунка, 49 таблиц и список литературы из 110 наименований.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


1. Выполненный анализ имеющихся результатов по гибридным функционалам, показал, что для получения корректного состояния автолокализованных дефектов и их исследования необходимы методы с повышенной долей хартрифоковского обмена. Расчеты наиболее критичного к выбору метода Ук-центра продемонстрировали, что по сравнению со стандартным гибридным функционалом ВЗЬУР схема с 40% хартрифоковского обмена дает корректное основное состояние центра и потому может быть использована для моделирования автолокализованных дефектов.
2. Проведенное моделирование на основе гибридного функционала В3ВУР40 с 40% хартрифоковского обмена показало возможности применения данного метода, его результативность и адекватность в отношении описания идеальных галоидных кристаллов, их зонной структуры и объемных свойств, что является принципиально важным для дальнейшего исследования дефектов (в том числе автолокализованных) в этих кристаллах.
3. Выполнены расчеты свойств F-, VK- и H-центров. Установлены закономерности в релаксации окружения дефектов. Деформации решетки вблизи F-центра мала (наибольшие смещения около 1% от a0),характер и направленность релаксаций определяются ближайшим к дефекту катионом. Для ближайших соседей дырочных центров в большинстве случаев характерно смещение, связанное с отталкиванием от дефектов. Кроме того, показано влияние кристалла на H-центр, который оказывается сжатым под действием окружающих атомов, что изменяет все характеристиках центра. Впервые с помощью метода B3LYP40 предсказана верная ориентация H-центра в KCl вдоль направления <110>, чего не было достигнуто с помощью других приближений. Описаны электронные свойства дефектных кристаллов. Установлены основные закономерности и порядок следования уровней дефектов в электронных спектрах. Выявлена ограниченность прямой оценки оптических характеристик дефектов по одноэлектронному спектру, рассчитанному в рамках методов основного состояния, и показана возможность вычисления этих характеристик по разности полных энергий с применением принципа Франка-Кондона. Впервые зонными методами рассчитано поглощение H-центра в LiF, для которого методом B3LYP40 получено значение энергии Е-полосы, равное 4.97 eV. Кроме того, показано, что резкое увеличение энергии поглощения на ~1.5 eV в H-центре по сравнению с VK^-центром в LiF связано с уменьшением межатомного расстояния в молекулярном ионе X2-. Представленный набор рассчитанных методом B3LYP40 параметров по межатомным расстояниям, энергиям поглощения и парамагнитным константам качественно и количественно согласуется с имеющимися экспериментальными данными.
4. Проведено моделирование триплетного асимметричного АЛЭ в LiF, NaCl и KCl. Анализ электронного строения показал, что в структуре АЛЭ выделяются дырочное ядро, сформированное в виде двухгалоидного молекулярного иона (заряды атомов равны примерно по -0.5 |e|), и диффузная электронная составляющая. Полученные методом B3LYP40 энергии триплетной люминесценции и поглощения в электронной компоненте АЛЭ количественно соответствуют имеющимся экспериментальным данным. Впервые проведенный расчет АЛЭ в LiF подтвердил собственный характер люминесценции триплетного АЛЭ около 3.4 eV (метод B3LYP40 дает 3.78 eV). Сделано предположение о том, что более точной экспериментальной оценке энергии поглощения электронной составляющей АЛЭ в KCl отвечает цифра 2.45 eV. Именно этой энергии соответствует рассчитанное методом B3LYP40 значение £’погл.г 2.43 eV, связанное с переносом электрона вдоль направления <110>.



[1] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Величко А.Н. Расчеты из первых принципов электронной структуры и пластических свойств кристаллов CsCl, CsBr и CsI // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 11. С. 1950-1953.
[2] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Величко А.Н. Электронная структура и пластические свойства щелочно-галоидных кристаллов // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовский сборник трудов. Вып. 18. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2005. C. 13-20.
[3] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Вараксин А.Н., Постников А.В., Макаров А.С. Электронная структура системы BaF2:La // Вестник УГТУ - УПИ. Экспериментальная физика. Приборы и методы. 2006. Вып 5(76). С. 189-201.
[4] Kuznetsov A.Yu., Sobolev A.B., Makarov A.S. Quantum-chemical Simulation of Paramagnetic F-center in CaF2, SrF2 and BaF2// Известия ВУЗов: Физика. Приложение. 2006. Т. 49. № 10. С. 55-58.
[5] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С. Электронная структура и парамагнитные свойства F-центра в LiF: расчеты из первых принципов // Материалы международной конференции «Моделирование физико-химических процессов в физике конденсированного состояния». Казахстан, Актобе: АГПИ. 2007 г. С. 5-9.
[6] Макаров А.С., Ботов М.А. Исследование процессов создания дырочных дефектов в кристаллах LiF: расчеты из первых принципов // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовский сборник трудов. Вып. 23. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2007. C. 18-22.
[7] Kuznetsov A.Yu., Sobolev A.B., Makarov A.S., Botov M.A. Structure of the self-trapped hole in the NaCl crystal: an ab initio periodic HF/DFT study // The 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter. 7-11 July 2008. Lyon, France. Abstracts Book. Mo-P¬147.
[8] Макаров А.С., Ботов М.А. Структура и свойства АЛЭ в кристалле NaCl // Тезисы докладов IX Молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-9, 17-23 ноября 2008). Екатеринбург, 2008. С. 26-27.
[9] Ботов М.А., Макаров А.С. Моделирование H-центра в LiF: расчеты из первых принципов // Тезисы докладов IX Молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного со-стояния вещества (СПФКС-9, 17-23 ноября 2008). Екатеринбург, 2008. С. 8-9.
[10] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Ботов М.А. Моделирование АЛЭ в NaCl: расчеты из первых принципов // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовский сборник трудов. Вып. 25. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2008. C. 32-37.
[11] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Ботов М.А., Макаров А.С. Структурные и парамагнитные характеристики H-центра в LiF: HF/DFT расчеты // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовский сборник трудов. Вып. 25. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2008. C. 30-31.
[12] Макаров А.С., Ботов М.А. Моделирование Н-центра в ЩГК на основе расчетов из первых принципов // Сборник тезисов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово - Томск) Екатеринбург - Кемерово: изд. АСФ России, 2009. С. 135-136.
[13] Kuznetsov A.Yu., Sobolev A.B., Makarov A.S., Botov M.A. Structure of the self-trapped hole in the NaCl crystal: an ab initio periodic HF/DFT study // Journal of Luminescence. 2009. V. 129. № 12. P. 1937-1940.
[14] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Ботов М.А. Моделирование триплетного автолокализованного экситона в кристаллах NaCl и LiF // Известия ВУЗов: Физика. 2009. Т. 52. № 8/2. С. 83-86.
[15] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Ботов М.А. Расчеты физических свойств Н-центра в ЩГК из первых принципов // Известия ВУЗов: Физика. 2009. Т. 52. № 8/2. С. 79-82.
[16] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Ботов М.А. Квантовохимическое моделирование F-центра в кристаллах LiF, NaCl и KCl // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовский сборник трудов. Вып. 26. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2010. C. 105-124.
[17] Кузнецов А.Ю., Соболев А.Б., Макаров А.С., Ботов М.А. Первопринципные расчеты физических свойств F-центров в ЩГК со структурой CsCl // Известия ВУЗов: Физика. 2011. Т. 53. №

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ