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.
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. №