PbMoO4晶体光学性质的第一性原理研究
镤悝氧柃焓 -回复
镤悝氧柃焓-回复镤悝氧柃焓是一种天然矿石，其化学式为PbWO4，由镤（Pb）和氧柃（WO4）组成。
它被广泛用于科学研究和工业应用中，尤其是在核能、医学成像和高能物理实验装置中。
首先，让我们了解一下镤悝氧柃焓的性质和结构。
镤悝氧柃焓的晶体结构是四方晶系，具有高密度和高硬度。
它是一种重要的发光材料，具有优异的发光性能。
此外，镤悝氧柃焓还具有较高的抗辐照性能，使其成为辐射环境下的理想材料。
在核能领域，镤悝氧柃焓被用作闪烁体材料。
闪烁体是一种能够将吸收的辐射能量转化为可见光信号的材料。
当高能粒子或光子进入镤悝氧柃焓晶体时，它们与晶体中的原子发生相互作用，产生光子。
这些光子被探测器捕获，进而转化为电信号，实现能量测量和探测粒子的目的。
医学成像领域是镤悝氧柃焓的另一个重要应用领域。
镤悝氧柃焓常被用作X射线增强剂，用于提高X射线图像的对比度和清晰度。
在X射线成像过程中，镤悝氧柃焓晶体吸收入射的X射线，并将其转化成可见光，使得医生能够更清楚地诊断患者的病情。
此外，在高能物理实验装置中，镤悝氧柃焓也起着关键作用。
在这些实验中，研究人员需要测量高能粒子的能量和位置。
镤悝氧柃焓晶体作为闪烁体材料，能够满足这一需求。
它们能够在高能量粒子入射下产生强光信号，并且有良好的时序性能，可以确保粒子的准确测量。
然而，尽管镤悝氧柃焓在这些领域中发挥着重要作用，但它也存在一些挑战和限制。
首先，镤悝氧柃焓晶体较为昂贵，其制备过程需要复杂的工艺。
其次，基于镤悝氧柃焓的闪烁探测器需要高速电子学的支持，以实现高能量粒子的准确测量。
此外，在高能环境下，晶体可能受到辐照损伤，导致性能下降或损坏。
为了解决这些问题，研究人员不断寻求新的材料和技术。
例如，他们正在研究镤悝氧柃焓的改性剂，以提高其抗辐射性能。
他们还在研究新型合成工艺，以降低制备成本并提高晶体质量。
此外，研究人员还开发了基于硅探测器的高能量粒子测量方法，以替代传统的闪烁探测器。
总结起来，镤悝氧柃焓是一种重要的材料，广泛应用于核能、医学成像和高能物理实验装置。
LN和LBO晶体非线性光学性质的第一性原理研究的开题报告
LN和LBO晶体非线性光学性质的第一性原理研究的开题报告题目：LN和LBO晶体非线性光学性质的第一性原理研究一、研究背景本研究旨在从第一性原理出发，深入探究LN和LBO晶体的非线性光学性质。
LN和LBO是两种常用的非线性光学晶体，它们在激光器、光学通信、光学测量等领域有着广泛的应用，对于深入认识其非线性光学特性，掌握其工程应用至关重要。
目前，对于LN和LBO晶体的非线性光学性质研究多基于经验公式或者实验结果，从第一性原理出发深入探究其物理本质、电子结构对其性质的影响，将有利于更加深入地认识其性质。
二、研究内容1. LN和LBO晶体的电子结构计算，包括基态能级、价带和导带结构等。
2. 基于电子结构计算结果，研究LN和LBO晶体的非线性极化率，采用密度泛函理论，建立模型及计算方法。
3. 探究LN和LBO晶体二阶和三阶非线性光学性质，包括二次谐波产生效应、光学折变、双光子吸收等，分析其与晶体结构、电子结构等因素的关系。
4. 对比实验结果，验证理论计算的准确性，建立计算模型。
三、研究方法1. 基于第一性原理，采用量子化学计算方法，计算LN和LBO晶体基态能级、价带和导带结构等电子结构信息。
2. 基于密度泛函理论，研究LN和LBO晶体的非线性极化率，并建立计算模型。
3. 借助计算和模拟工具，探究LN和LBO晶体的非线性光学性质，分析与其掺杂情况、晶体结构及电子结构等因素的关系。
4. 对比实验结果，验证模型的准确性，并进一步优化计算模型。
四、预期结果本研究将能够深入探究LN和LBO晶体的非线性光学性质，分析其与晶体结构、电子结构等因素的关系，建立高精度的理论模型，预期结果包括：1. 获得LN和LBO晶体电子结构的基本信息，并分析其对非线性光学性质的影响。
2. 探究LN和LBO的非线性极化率、非线性折射率、二次谐波产生效应等性质，发现其与晶体结构、电子结构等因素相互关联的本质原因。
3. 将研究结果与实验结果进行比较，验证理论计算模型的准确性，进一步优化计算模型。
PbMoO4晶体光学性质的第一性原理研究
ｇ ｎ ｒ ｌ ｅ ｒ ｄ ｅ ｔａ ｐ ｏ ｉ ａ ｉｎ （ ｅ ｅ ａ ｉ ｄ ｇ ａ ｉｎ ｐ ｒ ｘｍ ｔ ｓ ＧＧＡ）ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｓｔ ｕ ｃ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ （ ｚ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｎ ｉｙ ｆ ｎ ｔｏ ｈ ｏ ｙ ＤＦ Ｉ ． ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ＇ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｎ ｉ ｅ ｔ ａ ｈ ） ａ ｐ ａ ｆｉ ｇ ｎ ｒ ａ ｔｏ ｉｌｃ ｒｃｆ ｎ ｔｏ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄ ｔ ｈ ｔｏ ｅ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｄ ｃ ｉｉｙ ｃ ｍ ｐ ｅ ｅ ｒ ｃ ｉ ｉ ａ ｄ ｅ ｋ ｏ ｍａ ｉ ａ ｙ ｐ ｒ ｆｄ ｅｅ ｔ ｉ ｕ ｃ ｉ ｎ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｓｗｉ ｔ ａ ｆｒ ａ ｒ ｎ ｕ ｔｖｔ ， ｏ ｌ ｘ ｒ ｆａ ｔ ｔ ｎ ｈ ｐ ｏ ｃ ｖ ｙ， ａ ｓ ｒ ｔ ｎ ｓ ｅ ｔ ａ Ｉ ｄ ｉｉｎ，ｔ ｅ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｘ ｌ ｎ ｔ ｎ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｆ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｏ ｒ ｎ ｉ ｏ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｖ — ｂ ｏ ｐ ｉ ｐ ｃｒ． ｎ ａ ｄｔ ｏ ｏ ｈ ｅ ｓ ｎ ｂ ｅ ｅ ｐ ａ ａ ｉ Ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｒ ｍ ｈ ｌ ｃ ｒ ｎ ｔａ ｓｔ ｎ ｂ ｔ ｅ ｈ ａ ｏ ｉ ｌｎ ｅ ｂ ｎ ｎ ｈ ｏ ｄ ｃ ｉ ｎ ｂ ｎ ｎ ｔ ｅ ｄ ｎ ｉ ｆｓ ａ ｅ ． ｅ ｃ ａ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ａ ｄ ｉ ｈ ｅ ｓｔ ｏ ｔ ｔ ｓ ｏ ｙ
一
对应 的关 系， 且 可以从 电子 态密度 图 中的价带 和导 带间 的电子 跃迁得 到合 理解释 。 并
关 键 词 密度泛函理论 Ｐ Ｍｏ ４ 电子结构 ｂ Ｏ 光学性质
中 图分 类 号 ： ４２３ ０ ８．
二硫化钼光学性质的第一性原理计算的开题报告
二硫化钼光学性质的第一性原理计算的开题报告一、选题背景二硫化钼（MoS2）是一种典型的二维层状材料，具有优异的光学性能，因此在光电子学、光催化学等领域具有广泛的应用前景。
研究二硫化钼的光学性质，有助于深入理解其在光电子学中的应用机理，推动其在光电子学、光催化学等领域的应用。
本研究将运用第一性原理计算方法，探究二硫化钼的光学性质，并深入分析其物理本质。
二、研究目的本研究旨在利用第一性原理计算方法，研究二硫化钼的光学性质，包括能隙、吸收系数、折射率和透过率等，揭示其物理本质，并为二硫化钼在光电子学和光催化学等领域的应用提供理论基础。
三、研究内容1. 构建二硫化钼的晶体结构模型，并进行晶体结构优化。
2. 利用第一性原理计算方法，研究二硫化钼的能隙、吸收系数、折射率和透过率等光学性质。
3. 对计算结果进行分析，揭示二硫化钼的光学性质物理本质，并对其在光电子学和光催化学等领域的应用前景进行探讨。
四、研究方法1. 使用第一性原理计算软件（如VASP、Quantum Espresso等）构建二硫化钼的晶体结构模型，并进行晶体结构优化。
2. 利用VASP等软件，计算二硫化钼的能隙、吸收系数、折射率和透过率等光学性质。
3. 对计算结果进行分析，如透过率与吸收系数的关系，费米能级与光吸收之间的关系等，揭示二硫化钼的光学性质物理本质，并讨论其在光电子学和光催化学等领域的应用前景。
五、研究意义本研究将为深入理解二硫化钼的光学性质提供理论基础，为其在光电子学和光催化学等领域的应用提供科学依据。
同时，本研究使用的第一性原理计算方法也将为二维材料的光学性质研究提供新的思路和方法。
六、进度计划1. 阅读相关文献，熟悉二硫化钼的光学性质和第一性原理计算方法。
时间：1周。
2. 利用VASP软件计算二硫化钼的晶体结构，并进行优化。
时间：2周。
3. 利用VASP软件计算二硫化钼的光学性质。
时间：3周。
4. 分析计算结果，撰写研究报告。
MgO光学性质的第一性原理
MgO光学性质的第一性原理陈志雄;康炯【期刊名称】《兰州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(047)001【摘要】The electronic structures and optical properties of MgO were investigated at their structural phase transition pressures by the plane-wave pseudopotential density functional method. A good agreement between the calculated lattice parameters and experimental results was found, and a direct energy gap of 3.72 eV was estimated in the NaCI structure (B1) of MgO. The electronic structures of the CsCI structure (B2) were predicted near the structural phase transition pressure and discussed in detail. The dielectric function and optical properties, such as refiectivity and electron energy-loss function, were presented in a wide energy range between 0～60 eV. It could be seen that the refiectivity spectrum and energy-loss spectrum of the B1 phase at 0 GPa were consistent with the experimental results.%利用平而波赝势,密度泛函方法,研究了MgO的电子结构和光学性质.计算的晶格参数和实验结果符合得很好,MgO的NaCl结构(B1)的直接能隙是3.72 eV.预测了结构相变压强附近CsCl结构的(B2)电子结构,并进行了详细的讨论.存0～60 eV广泛的能量范围内,介电函数和包括反射率及电子能量损耗函数的光学性质被研究,0压强下B1相的反射光谱和能量损耗光谱和实验结构基本一致.【总页数】5页(P122-126)【作者】陈志雄;康炯【作者单位】兰州大学第一医院信息中心,兰州730000;甘肃省粮油质量监督检验所,兰州730000【正文语种】中文【中图分类】O521【相关文献】1.Eu掺杂MgO电子结构和光学性质的第一性原理研究 [J], 申洁;邢美静;梁凯;姚倩倩;肖亚涛;陆彦功;赵辉2.掺杂CeO2光学性质和电子结构的第一性原理研究 [J], 李旭;申家欣;郑浩然3.CdMoO4光催化材料的电子结构和光学性质的第一性原理计算 [J], 杨婉茹;贾宏伟;刘卓;王栋林;赵磊;张金锋;代凯;公丕锋4.Mn-O共掺单层MoS2磁性和光学性质的第一性原理研究 [J], 黄延彬;丁召;魏节敏;罗子江;张振东;郭祥5.外力对三元哈斯勒半金属ZrIrSb电子结构和光学性质影响的第一性原理研究 [J], 韦俊红;孔慧君;刘潇;张敏平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
CrN电子和光学性质的第一性原理研究
CrN电子和光学性质的第一性原理研究王静楠;杨坤【摘要】In this paper,we investigate the structure,electronic and optical properties of cubic phase CrN using the plane wave pseudopotential density functional theory method.The results of structural data coincide well with the experimental and other theoretical values.The band structure,density of state,dielectric function,refractiveindex,refleetivity,absorption index,and the electron energy-loss spectrum are obtained successfully and these features are discussed.%本文采用平面波赝势密度泛函理论方法研究了CrN平衡态的结构,电子和光学性质,并与现有的结构数据实验值和理论值进行比较,结果符合较好.计算得到了CrN能带结构、态密度随电子能量的变化关系以及复介电函数、折射率、吸收系数、反射系数和损失系数随光子能量的变化关系,并对其变化特征进行了讨论.【期刊名称】《四川大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(054)003【总页数】5页(P568-572)【关键词】CrN;第一性原理;光学性质【作者】王静楠;杨坤【作者单位】石河子大学理学院物理系生态物理实验室,石河子832003;石河子大学理学院物理系生态物理实验室,石河子832003【正文语种】中文【中图分类】O641(PACS：71.15.Mb, 62.50.-p)金刚石是目前已知材料中硬度最高的超硬材料，在各个行业应用广泛.然而，金刚石存在一些不足，其热稳定性不高，极易氧化；此外，金刚石易与铁族金属发生反应[1]，导致金刚石在生产加工中受到极大的限制. CrN由于具有良好的耐摩擦性、抗高温氧化性及耐腐蚀性而引起人们的重视，而CrN薄膜由于铬的溅射产额高，可进行大批量的工业生产，已被广泛应用于很多行业. 近年来，CrN及其薄膜受到众多研究者的关注，实验和理论研究不断出现[2-12]. Zhu等人[2]采用第一性原理方法研究了六种结构的CrN的结构、电子及力学性质. Steneteg等人[6]则利用分子动力学方法研究了CrN的状态方程. 我们此前也对CrN的弹性和热力学性质进行了第一性原理研究[9]. 此外，Wang等人[10]研究用电弧离子镀制备纳米晶体结构的CrN薄膜，研究表明50 V偏压薄膜综合性能最好，显微硬度达到32 GPa. Lin等人[11]用差示扫描量热法(DSC)和热重量分析法(TGA)对CrN薄膜在空气中的氧化进行了研究.CrN有着重要的应用价值，因此对其性质进行全面的理论研究是必要的. 尽管关于CrN的研究已有很多，然而我们注意到对CrN光学性质的研究较为少见. 本文将通过第一性原理方法对CrN的电子与光学性质进行计算研究，以期加深对CrN性质的理解.本文计算中采用的CrN模型为NaCl结构，空间群为Fm-3m，初始晶胞参数取自实验结果(a=4.148 Å)[13].本文中所有计算均采用平面波赝势密度泛函理论方法[14,15]，使用CASTEP软件[16]完成. 本文中采用超软赝势描述粒子间的相互作用[17]，其中N的赝原子为2s2 2p3, Cr的赝原子为3s2 3p6 3d5 4s1. 电子之间的交换关联能选用广义梯度近似(GGA-PW91)描述. 结构优化采用BFGS方法[18].在计算过程中，原子的位移收敛精度设置为0.001 Å，平面波截断能设置为310 eV，收敛精度为1×e-5 eV/atom. 布里渊区采用11× 11× 11的Monkhoust-Pack网格k点采样. 所有参数均经过收敛测试.在计算光学性质时，复介电函数表达式为[19]:ε(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)其中，ε1(ω)为实部,ε2(ω)为虚部，δ[Ec(k)-Ev(k)-ћω]从光负折射率和光复介电常数之间的关系：[n(ω)+ik(ω)]2=ε1(ω)+iε2(ω)可以得到n、k与复介电函数关系为：ε1(ω)=n2(ω)-k2(ω),ε2=2n(ω)k(ω)吸收系数I为：反射率为：而损失函数可表示为：3.1 晶体结构准确的晶体结构是研究材料性质的基础，本文在研究CrN电子与光学性质之前先对CrN进行了结构和原子内坐标的优化. 结果显示CrN晶胞的原子内坐标与NaCl 结构一致. 表1中列出了本文优化后得到的NaCl结构的CrN材料的晶胞参数. 为了验证本文计算的准确性，表1中一并列出了文献报道的理论值[4,5,7,20]及实验值[13]. 从表1可以看出，本文计算结果与实验值及理论值均符合较好，其中晶格常数a与实验值[13]相差2%，而与Brik等人[7]的计算结果相差仅为0.02%；晶胞体积V与实验值[13]相差6%，与Brik等人[7]的计算结果相差仅为0.08%.表1 零压下NaCl结构的CrN晶胞参数及相关理论与实验数据Tab.1 Thecalculated structural data of CrN under zero pressure and related experimental and theoretical dataaReference 13.bReference 4.cReference 5.dReference 7.eReference 20.3.2 电子性质材料的电子性质主要是由费米能级处的能带结构决定. 图1为能级的局部放大图，从中可以看出，CrN导带的最低点和价带的最高点不在同一点，说明CrN属于间接跃迁型半导体. 从CrN的能带结构中可看出其费米能级处存在自由电子. 图2a，b，c分别画出了CrN的总态密度以及Cr和N原子的分波态密度，从另一方面展示了能带结构中电子态的构成. 结合能带图及态密度可知，能带图中费米能级处的自由电子主要来自于Cr原子的3d轨道和N原子的2p轨道. 价带处能量最小的峰出现在-5.7 eV附近，这主要源于N原子2p轨道贡献，Cr原子的3d轨道也有一定贡献. CrN在低能区域-15 eV-18 eV的态密度主要由N原子的2s轨道贡献. 在导带底，Cr原子的3d和N原子的2p轨道电子起主要作用. 在导带8 eV-20 eV 之间的峰主要由Cr原子的4s，3p轨道及N原子的2s轨道贡献. 此外，轨道杂化峰较为明显，说明共价键在CrN的结合中起主要作用. 3d电子穿过费米能级形成自由电子，说明其具有一定的导电性.3.3 光学性质硬质材料通常具有独特的光学性质，因此对CrN光学性质进行深入研究非常必要. 本文在零压条件下对CrN的光学性质进行了计算. 图3列出了计算得到的CrN的复介电函数. 复介电函数是用来描述材料的光学线性响应函数，主要对材料的光学性质计算、对材料光学函数曲线的变化进行分析，来解释光学现象. 其中复介电函数的虚部ε2是研究光学性质的关键. 由图3可看出ε2在光子能量为0.6 eV附近会出现一个峰值，这主要源于Cr原子的3d轨道电子的带内跃迁. 图3中一并给出了复介电函数实部ε1随光子能量的变化. 图中可看出其静态介电常数ε1(0)为204，因此CrN属于高介电材料. ε1在光子能量由0到1.8 eV的变化过程中急剧减小，后又逐渐升高，在光子能量升高到5 eV后趋向平缓.图4给出了CrN的光复折射率，图中可看出n在低频区域出现极大值，后随着频率的升高，而急剧减小，在光子频率为2.5 eV时出现极小值. 之后n出现震荡，数值变化不大，在光子频率达到50 eV后趋于稳定. 而k的变化与n不同，k在低频区域数值较小，随着光子频率的增大而逐渐增大. 在光子频率为2 eV左右时，k 与n数值基本相等，此后k与n有着大致相同的变化趋势. 在高频时，k的取值比较小，尤其光子频率大于35 eV时，k基本趋于零，当说明CrN在高能区域很难吸收光.图5为CrN的吸收系数，图中显示在光子能量为44.91 eV处吸收系数最高，达到670882.61 cm-1. 在低频8 eV～22 eV区域也出现一个峰值，说明在此低频区域，价带的电子可以通过光照而吸收光子跃迁到导带，同时低能量区存在较大的吸收系数，说明CrN对光的吸收主要来自于晶体表面层内. 从图5可看出当光子能量大于50 eV时，CrN的吸收系数基本为零，说明在此区域基本没有光的吸收.图6为CrN的反射系数，在低能区域CrN的反射系数最高，随后急速下降达到极小值，随着能量增大又出现几个峰值和极小值，在40～50 eV之间出现一个零点随后上升出现极值，在60 eV以后反射率降为零.图7为CrN的损失函数谱线. 从图中可以看出CrN在光子能量为48.8 eV时出现了尖锐的能量损失峰，这个峰是CrN晶体能量损失谱的共振峰. 在光子能量大于50 eV时，CrN的损失系数基本为0. 对比图6中的反射谱线和图5中吸收谱线可以发现，反射率较低时，光学吸收较强，此时自由电子运动比较活跃，损失能量较多；反之，反射率较高时，对应的光学吸收相对较弱，使电子的能量损失减小. 本文采用平面波赝势密度泛函理论方法计算了立方相CrN平衡态的结构，电子和光学性质，计算结果与现有的结构数据实验值和理论值符合较好. CrN的能带结构和态密度显示CrN属于间接跃迁型半导体，具有一定的导电性. 本文通过计算得到了CrN的复介电函数，折射率，吸收系数，反射系数和损失系数随光子能量的变化关系，并对变化特征进行了讨论. 计算结果显示ε2出现的峰值，主要源于Cr原子的3d轨道电子的带内跃迁. 此外，CrN的静态介电常数ε1(0)为204，表明CrN属于高介电材料.【相关文献】[1] Chung H Y, Weinberger M B, Levine J B, et al. Synthesis of ultra-incompressible superhard rhenium diboride at ambient pressure [J]. Science, 2007, 316: 436[2] Zhu M, Wang K H. Structural, electronic and mechanical properties of CrN: A first principles study [J]. Mod Phys Lett B, 2015, 29: 1550009.[3] Botana A S, Tran F, Pardo V, et al. Electronic structure of CrN: A comparison between different exchange correlation potentials [J]. Phys Rev B, 2012, 85: 235118.[4] Asvinimeenaatci A T, Rajeswarapalanichamy R, Iyakutti K. First principles study of pressure-induced magnetic transition in CrN [J]. Phys B, 2011, 406: 2610.[5] Lin H, Zeng Z. Structural, electronic, and magnetic properties of CrN under high pressure [J]. Chin Phys B, 2011, 20: 077102.[6] Steneteg P, Alling B, Abrikosov I A. Equation of state of paramagnetic CrN from ab initiomolecular dynamics [J]. Phys Rev B, 2012, 85: 144404.[7] Brik M G, Ma C G. First-principles studies of the electronic and elastic properties of metal nitrides XN (X=Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb) [J]. Comp Mater Sci, 2012, 51: 380[8] Zhou L C, Kormann F, Holec D, et al. Structural stability and thermodynamics of CrN magnetic phases from ab initio calculations and experiment [J]. Phys Rev B, 2014, 90: 184102.[9] 杨坤, 张春, 张吉东. CrN弹性和热力学性质的第一性原理研究 [J]. 四川大学学报: 自然科学版，2016, 53: 836[10] Wang Q M, Kwon S H, Kim K H. Formation of nanocrystalline microstructure in arc ion plated CrN films [J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2011, 21: 73[11] Lin J, Mishra B, Moore J J, Sproul W D. A study of the oxidation behacior of CrN and CrAlN thin films in air using DSC and TGA analyses [J]. Sur Coat Tech, 2008, 202: 3272. [12] Tsai S H, Duh J G. Microstructure and mechanical properties of CrAlN/SiNx nanostructure multilayered coatings [J]. 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第一性原理研究硼酸铋锌晶体的电子结构和光学性质
重叠布局数/e 1.61～1.65 1.04 0.82～0.84
图 3 沿 Z 方向上的电子局域函数图证实共价键合的存在，可以看出，Bi，Zn，B 原子和 O 原子是非球形分 布，这是具有共价键相互作用系统的特征 .
图 3 Bi2ZnOB2O6晶体沿 Y 方向上的电子局域函数图
第2期
王思源等：第一性原理研究硼酸铋锌晶体的电子结构和光学性质
收稿日期：2021-03-21 基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学青年基金项目（2018D01C005）. 作者简介：王思源（1995—），男，伊犁师范大学在读研究生，主要研究方向：凝聚态物理 . *通信作者：苏欣，女，副教授，研究方向：凝聚态物理 .
第2期
王思源等：第一性原理研究硼酸铋锌晶体的电子结构和光学性质
2021 年 6 月 第 15 卷 第 2 期
伊 犁 师 范 学 院 学 报（自 然 科 学 版） Journal of Yili Normal University（Natural Science Edition）
Jun.2021 Vol.15 No.2
第一性原理研究硼酸铋锌晶体的电子结构和光学性质
价行为大于 Zn-O 键 .
表 1 Bi2ZnOB2O6 中各原子的布局分析数值/e
原子
Bi
Zn
B
O
布局数
1.61～1.65
1.04
0.82～0.84
0.72
原子对键结 Bi-O Zn-O B-O
表 2 Bi2ZnOB2O6晶体中原子键结 Mulliken 重叠布局分析
键长 d/Å 2.6814（6）～ 2.3930（3） 1.5277（0）～ 1.3683（7） 1.8444（5）～ 1.6604（2）
不同取向BiVO4外延薄膜的光物理与光催化性能
不同取向BiVO4外延薄膜的光物理与光催化性能摘要：BiVO4外延薄膜材料作为一种具有良好光物理与光催化性能的材料，对于解决环境问题具有重要意义。
本文通过对不同取向BiVO4外延薄膜的探究，探讨了其在光物理和光催化方面的性能差异，为进一步优化BiVO4外延薄膜的制备工艺和应用提供了一定的理论依据。
关键词：BiVO4；外延薄膜；光物理性能；光催化性能1. 引言随着环境问题日益严峻，探究和开发具有高效光催化性能的材料成为当今科学探究的热点。
BiVO4（钒酸铋）是一种重要的光催化材料，具有优良的光学性能和电化学性能，因此在可见光区域具有很高的光催化效率。
外延薄膜技术是制备高质量BiVO4材料的一种有效方法。
本文将着重探究不同取向BiVO4外延薄膜的光物理和光催化性能，以期为该材料的制备和应用提供指导。
2. 不同取向BiVO4外延薄膜的制备传统的外延薄膜制备方法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。
在这些方法中，通过选择合适的基底材料和控制生长条件，可以得到具有不同取向的BiVO4外延薄膜。
不同取向的外延薄膜可能具有不同的晶体结构和晶界特性，因此其光物理和光催化性能可能存在差异。
3. 光物理性能的探究通过光吸纳、荧光光谱等方法，可以探究不同取向BiVO4外延薄膜的光吸纳和荧光特性。
试验结果显示，不同取向的外延薄膜在可见光区域的吸纳强度和荧光强度可能存在差异。
这些差异可能与晶体结构和晶界特性有关。
进一步的探究还需要通过X射线衍射和电子显微镜等方法来确定不同取向外延薄膜的晶体结构和晶界特性。
4. 光催化性能的探究利用UV-Vis光谱仪和光电化学电池等方法，可以探究不同取向BiVO4外延薄膜的光催化性能。
在可见光照耀下，不同取向的BiVO4外延薄膜通常表现出良好的光催化活性。
试验结果显示，不同取向的外延薄膜在光催化活性和稳定性方面可能存在差异。
这些差异可能与晶体结构和晶界特性有关。
进一步的探究还需要通过电化学阻抗谱和物质转化效率等方法来确定不同取向外延薄膜的光催化性能。
PbWO4晶体的生长及其光学性能的研究
PbWO4晶体的生长及其光学性能的研究
韩爱珍;赵业权;徐玉恒;葛云成
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】1996(25)4
【摘要】本文报道了新型闪烁晶体ＰｂＷＯ４的生长。
研究了晶体的生长工艺，获得较为平坦的固液界面，消除晶体生长中产生的缺陷；测试了晶体的光学性能；探讨了ＰｂＷＯ４晶体的着色的机理。
【总页数】4页(P304-307)
【关键词】晶体;闪烁晶体;光学性能;着色;钨酸铅
【作者】韩爱珍;赵业权;徐玉恒;葛云成
【作者单位】哈尔滨工业大学航天电子与光电工程系;哈尔滨师范大学物理系【正文语种】中文
【中图分类】O734.1;O782
【相关文献】
1.一种全新的金属有机配合物非线性光学晶体CdHg（SCN）4（C2 H5NO）2的生长、物化和光学性能表征 [J], 刘雪松;刘希涛;王新强
2.掺镁PbWO4晶体的生长及其闪烁性能研究 [J], 叶水驰;陈刚
3.大尺寸Y:PbWO4晶体的坩埚下降法生长与光学均匀性研究 [J], 宫波;沈定中;任国浩;张海斌;殷之文
4.含铅空位的PbWO4晶体光学性质及其偏振特性的研究 [J], 刘廷禹;张启仁;庄松林
5.非线性光学晶体Ba2B5O9Cl的合成、晶体生长及性能的研究 [J], 陈兆慧;潘世烈;赵文武;杨云;吴红萍;张方方
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BiVO4薄膜的制备及其光电化学性能的研究的开题报告
BiVO4薄膜的制备及其光电化学性能的研究的开题
报告
一、研究背景：
随着环境污染和能源危机的日益加剧，研究可持续的清洁能源和环境治理技术变得越来越重要。
光电化学水分解技术是一种研究热点，在这项技术中，利用半导体材料吸收太阳光能，产生电子和空穴，将水分子分解成氢气和氧气。
而BiVO4作为一种非常有前途的氧化物半导体材料，它的导带位置与氧气发生了强烈的相互作用，可以很好的促进氧气发生电化学反应，具有很高的光电化学性能，被广泛应用于光催化和电化学水分解领域。
本研究旨在通过制备BiVO4薄膜并研究其光电化学性能，探索其在可持续能源和环境治理方面的应用。
二、研究内容：
1.利用化学沉淀法和溶胶-凝胶法制备出BiVO4薄膜，并通过扫描电镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱等手段对薄膜结构和物理化学性质进行表征。
2.利用光电化学方法研究BiVO4薄膜的光吸收性能和光电流响应特性，并对其进行电化学阻抗谱、线性扫描伏安和循环伏安等测试，探索其在光催化和电化学水分解方面的应用。
三、研究意义：
1.研究BiVO4薄膜的制备及其光电化学性能，有助于深入了解其物理化学性质和光电化学机制，为其应用于光催化和电化学水分解等领域提供技术支持。
2.本研究将有助于推动清洁能源和环境治理技术的发展，为实现可持续发展做出贡献。
四、研究方法：
1.化学沉淀法和溶胶-凝胶法制备BiVO4薄膜。
2.利用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、光电化学方法、电化学阻抗谱、线性扫描伏安和循环伏安等手段对薄膜结构和光电化学
性能进行表征和测试。
3.分析实验结果，探索BiVO4薄膜在光催化和电化学水分解领域的
应用。
SrMoO4晶体论文：SrMoO4晶体晶体生长缺陷研究热学性质受激拉曼散射
SrMoO4晶体论文：SrMoO4晶体晶体生长缺陷研究热学性质受激拉曼散射【中文摘要】受激拉曼散射是一种重要的非线性光学效应,近年来,借助于受激拉曼效应可以获得从近红外到紫外波段的各种波长激光输出,尤其可用以产生雷达测量、医疗、遥感和海洋探测方面有着重要应用黄橙激光和人眼安全激光,拉曼位移激光器的研究成为激光技术发展的一个热点。
受激拉曼散射是一种三阶非线性效应,固体、液体和气体都可以作为工作物质,其中采用拉曼激光晶体制作的全固态激光器具有体积小、增益和可靠性高等特点,使得寻找具有优良的拉曼激光性能的激光材料成为这一领域的焦点。
纯的钼酸盐和钨酸盐均为很好的拉曼材料。
BaWO4, SrWO4和BaMoO4均已被证明是稳定有效的拉曼增益晶体,采用纳秒脉冲和皮秒脉冲激光作为光源在这些晶体中均已获得较高的拉曼增益。
BaWO4晶体是一种已被广泛研究的优良拉曼晶体,与BaWO4相比,SrWO4晶体的热导率较大,热膨胀的各向异性低,是一种优良的拉曼位移晶体。
在钼酸盐中,具有白钨矿结构的BaMoO4是一种优良的拉曼位移晶体,其拉曼模式具有窄而均匀的线宽(在300K 2.2cm-1处ΔνR=1.6)。
和BaMoO4同系的SrMoO4同样具有白钨矿结构,近年来,有关于Er3+,Tm3+,Ho3+离子掺杂SrMoO4晶体的光学性质以及发光X射线的报道,Basiev和Ma et.al证实这些材料具有很好的拉曼增益系数。
但是,单晶SrMoO4的晶体生长却鲜有报道,在本工作前未见大尺寸高质量晶体的生长和基本性质的工作。
本论文较系统地研究了SrMoO4晶体的生长、结构、缺陷以及基本性质,并获得了SrMoO4晶体的连续拉曼黄光输出。
(一) SrMoO4晶体生长采用高纯的SrCO3和MoO3通过固相反应合成了SrMoO4晶体生长的多晶料,利用提拉法生长SrMoO4晶体的要求,根据晶体生长规律讨论并研究了SrMoO4晶体的生长条件,调整和确定了晶体生长温场和工艺,采用a-向和c-向籽晶生长了大尺寸,高光学质量的SrMoO4单晶。
PbWO4晶体拉曼光谱的研究
ＰｂＷ０４ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｇｒｏｗｎ ｆｒｏｍ ａ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅｌｔ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ
北京工业大学硕士论文
１．２．３光产额（１ｉｇｈｔ ｙｉｅｌｄ） ＰＷＯ晶体的室温光产额是其闪烁性能中的一个弱项，有人也正因为此而
对ＰＷＯ晶体可否实际应用持否定态度【３０】。不过，在被制作成晶体后其光产额 有所增加，而再通过提高原料纯度和优化生长条件，ＰＷＯ晶体的光产额又有 了进一步的提高。
Ｆ＊ｍｐ＊ｒａｔｏｒｅ，℃ 图ｌ ２ ＰＷＯ晶体光产额随温度的变化示意图
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ｓｃｈｅｅｌｉｔｅ ｓｔｒｃｔｕｒｅ． Ｂｖ ｃｏｍＤａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｓｃｈｅｅｌｉｔｅ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ ｃｒｙｓｔａｌ ｓ，ｗｅ ａｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ
ｂｌｕｅ ｌｕｒｅｉｎｅｓｃｅｎｔ ｃｅｎｔｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｌａｔｔｉｃｅ Ｗ０４ ２。，ｂｕｔ ｔｈｅ Ｐｂ２’ｈａｓ ａｌｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＰｂＷＯ ４，Ｗｅ ｄｅｎｉｅｄ ｔｈｅ 。ｉｅｗｐｏｉｎｔ ｔｈａｔ ｇｒｅｅｎ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｃｅｎｔｅｒ ｉｓ（ｗ０３＋Ｆ）·Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ
北京工业大学 硕士学位论文 PbWO<,4>晶体拉曼光谱的研究 姓名：刘天飞 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：曾令祉
《BiVO4基光阳极设计及其光电协同活化过氧单硫酸盐降解四环素研究》范文
《BiVO4基光阳极设计及其光电协同活化过氧单硫酸盐降解四环素研究》篇一一、引言随着环境污染问题的日益突出，水体中抗生素的残留与危害已经成为环境保护领域亟待解决的难题。
四环素作为一种广泛使用的抗生素，其在水环境中的残留问题亟待解决。
针对这一问题，本文提出了一种基于BiVO4的光阳极设计，并研究了其与光电协同活化过氧单硫酸盐（PMS）降解四环素的性能。
二、BiVO4基光阳极设计BiVO4作为一种具有优异光电性能的材料，被广泛应用于光催化领域。
本文设计的BiVO4基光阳极，通过优化其结构与组成，提高了光阳极的光吸收能力及光生载流子的分离效率。
通过掺杂、异质结构建等手段，有效提高了BiVO4的光电转换效率，为其在光电协同活化PMS降解四环素中的应用奠定了基础。
三、光电协同活化过氧单硫酸盐过氧单硫酸盐（PMS）作为一种强氧化剂，在光催化过程中能够产生大量的活性氧物种（ROS），如超氧根离子（O2-·）和羟基自由基（·OH）。
本文中，通过引入BiVO4基光阳极，利用其产生的光生电子和PMS之间的电子转移过程，实现光电协同活化PMS的目的。
这种协同作用可以进一步提高PMS的氧化能力，从而提高四环素的降解效率。
四、四环素的降解研究在BiVO4基光阳极与PMS的协同作用下，四环素的降解过程得到了有效加速。
实验结果表明，该体系对四环素具有较高的降解效率，且在较短时间内即可实现完全降解。
同时，通过对降解过程中产生的中间产物的分析，探讨了四环素的降解路径及可能的影响因素。
此外，还对体系的稳定性及重复使用性能进行了评价。
五、结论本文通过设计BiVO4基光阳极，并研究其与光电协同活化PMS降解四环素的性能，为解决水环境中抗生素残留问题提供了一种新的思路和方法。
实验结果表明，该体系具有较高的四环素降解效率及良好的稳定性，为实际应用提供了有力支持。
未来，可进一步优化BiVO4基光阳极的设计及光电协同活化PMS的过程，以提高其在实际水处理中的应用效果。
掺镁PbWO_4晶体的生长及其闪烁性能研究
掺镁PbWO4晶体的生长及其闪烁性能研究¹叶水驰º 刘欣荣 杨春晖 徐悟生 徐玉恒(哈尔滨工业大学电子与光电工程系 哈尔滨150001)陈 刚(北京玻璃研究院 北京100062)摘 要 用Czochralski法生长了掺镁PbWO4晶体,测试了Mg:PbWO4晶体的透射光谱、激发发射光谱、发光效率和衰减时间。
Mg:PbWO4晶体的透过率和发光效率高于Pb-WO4晶体。
关键词 Mg:PbWO4晶体,发光效率,衰减时间0 引言 钨酸铅(PbWO4)晶体属于四方晶系,白钨矿结构。
PbWO4晶体具有密度高(8.26g/cm2,是所有闪烁晶体中最大的),辐射长度短(0.87cm),使探测器的体积大为缩小。
PbWO4晶体的衰减时间短(26ns),其衰减时间的快成分小于10ns,是BGO的1/10,是BaF2的1/20,它具有很高的分辨率。
它的辐射硬度高,能够满足强辐射,高剂量的辐射测量等方面的要求[1,2],是用于大型正负电子对撞机量能器的首选材料,在高能物理,核医学仪器中有着重要的作用。
但PbWO4晶体的发光效率较低[3],因而在各个领域中的应用受到一定的限制。
我们在PbWO4晶体中掺进M gO 生长了M g:PbWO4晶体,它的发光效率比PbWO4晶体提高一倍以上,使其应用前景更加广阔。
1 M g:PbWO4晶体的生长1.1 生长方法由PbWO4晶体的相图可以看到,PbWO4晶体的化学计量比就是固液同成分配比,它的熔点为1123℃。
PbWO4晶体既可采用提拉法生长,也可采用坩埚下降法生长。
1.2 Mg:PbWO4晶体原料的配制生长M g:PbWO4晶体的原料为PbO、W O3和M gO,其纯度皆为99.99%。
原料配比PbO∶WO3=1∶1(摩尔比),M gO的掺量为50ppm。
1.3 温度梯度轴向温度梯度是由液面上单位距离的温差来表示。
温度梯度存在所形成的过冷度是晶体生长的推动力。
bimoo4晶格常数
bimoo4晶格常数1. 简介晶格常数是描述晶体结构的重要参数之一，它代表了晶体中原子或离子排列的周期性和对称性。
bimoo4是一种具有特殊结构和性质的材料，其晶格常数对于研究其物理和化学性质至关重要。
本文将介绍bimoo4晶格常数的定义、影响因素、测量方法以及在实际应用中的意义。
2. bimoo4晶格常数的定义bimoo4是一种钙钛矿结构的材料，其晶格常数是指晶体中相邻原子或离子之间距离的平均值。
通常用a、b、c表示，在三维空间中分别代表x、y、z方向上的晶胞参数。
bimoo4具有六角晶系，其中a和b表示在平面内两个相邻原子或离子之间的距离，c则表示不同平面上相邻原子或离子之间的距离。
3. 影响因素bimoo4晶格常数受多种因素影响，包括元素组成、温度和压力等。
下面将详细介绍这些影响因素。
3.1 元素组成bimoo4晶格常数的大小与其元素组成密切相关。
不同原子或离子的尺寸不同，因此在晶体中排列时会对晶格常数产生影响。
例如，如果bimoo4中的某个原子或离子尺寸较大，那么相邻原子或离子之间的距离将增加，从而导致晶格常数增大。
3.2 温度温度对bimoo4晶格常数也有一定影响。
随着温度的升高，晶体内部分子或原子的热运动增强，相邻原子或离子之间的距离会有所增加，从而导致晶格常数增大。
3.3 压力压力对bimoo4晶格常数同样具有重要影响。
在高压下，晶体内部分子或原子之间的相互作用会发生变化，导致相邻原子或离子之间的距离发生改变。
通常情况下，增加压力会使得晶格常数减小。
4. 测量方法测量bimoo4晶格常数可以采用多种实验方法和理论计算方法。
以下是常用的测量方法。
4.1 X射线衍射X射线衍射是一种常用的测量晶格常数的方法。
通过将X射线照射到bimoo4晶体上，根据衍射图样中的峰位和峰宽，可以计算得到晶格常数。
4.2 中子衍射中子衍射也是一种测量晶格常数的有效方法。
中子具有较小的波长，可以穿透样品并与其中的原子或离子发生散射。
基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索
基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索梁飞;林哲帅;吴以成【摘要】非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的"炒菜式"实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)011【总页数】22页(P1-22)【关键词】非线性光学材料;第一性原理;密度泛函理论【作者】梁飞;林哲帅;吴以成【作者单位】中国科学院理化技术研究所,功能晶体与激光技术重点实验室,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院理化技术研究所,功能晶体与激光技术重点实验室,北京100190;中国科学院大学,北京100049;天津理工大学,功能晶体研究院,天津300384【正文语种】中文1 引言通过激光频率转换技术,非线性光学晶体可将常见波段的激光(如近红外1064 nm 激光)转换至新的波段,实现紫外、中远红外乃至太赫兹波段激光的输出.这种光电功能晶体是一类光子耦合的“催化材料”,具有转换效率高、光束质量好、可调谐、小型化、易于操控等突出优点,已被广泛应用于全固态激光器中,在光谱学、通讯和光计算、生物成像、精密制造等科技及工业前沿领域具有重要和广泛的应用[1,2].可以说,非线性光学晶体是全固态激光频率转换系统的核心元件,也是迫切需要不断优化和发展的关键要素.林哲帅,中国科学院理化技术研究所研究员.2002年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位.主要从事新型光电信息功能材料的计算机模拟和分子工程学设计.主持或参与多项国家自然科学基金重点、面上项目及国家973、863等项目.在Adv.Mater.,JACS,Angew Chem.,m.等学术期刊发表SCI论文200余篇. 根据应用波段的不同,非线性光学晶体可以分为紫外区、可见和近红外区及中远红外(含太赫兹波段)区非线性光学晶体.在紫外和可见光区,中国学者取得了举世瞩目的成果,其中BBO(β-BaB2O4)和LBO(LiB3O5)晶体在Nd:YAG激光二倍频、三倍频、四倍频研究中被广泛应用,被誉为“中国牌”晶体[3,4].在深紫外区(波长小于200 nm),KBBF(KBe2BO3F2)晶体是惟一可实用化产生深紫外谐波的非线性光学晶体.2015年,利用KBBF晶体获得最高输出功率达到200 mW的177.3 nm激光,为KBBF进一步实现产业化奠定了基础[5].在可见近红外区,KTP(KTiOPO4)晶体具有频率转换效率高、倍频系数大、损伤阈值高、透过范围宽和化学稳定好等优点,被誉为激光频率转换领域的“全能冠军”,是可见近红外区频率转换晶体的首选[6]. 20世纪80年代以来,以南京大学闵乃本院士为代表的研究团队[7]提出了“介电体超晶格”的概念,将准晶结构引入介电体超晶格,建立了“多重准位相匹配理论”,发明了室温图案极化新技术,研制出能同时产生多种颜色激光的准周期超晶格和全固态红、绿、蓝三基色和白光激光器样机.另外,闵院士团队[8,9]还研究了在光波、微波、声频三个波段内微结构对物理性质的影响,在光电子学、声电子学、材料科学的交叉领域中催生了称为“畴工程学”的新学科.该系列成果于2006年获国家自然科学一等奖.在中远红外区,黄铜矿型的AgGaS2,AgGaSe2和ZnGeP2晶体已经实现了商业化应用.2017年,我国科学家利用自主生长的ZnGeP2晶体,经过电子辐照和退火处理后,实现了目前国际上最高效率的光学参量振荡(OPO)输出,峰值功率密度高达24 MW/cm2,光光转换效率达到75.7%[10].近年来,我国科学家陆续生长了LiInSe2[11],BaGa4S7[12],BaGa4Se7[13]等新型的红外非线性光学晶体,并实现了光学参量放大(OPA)和OPO激光输出[14,15].这些成果充分说明了新型硫族化合物在中红外非线性频率转换领域的应用潜力.在太赫兹(THz)波段,常见的无机太赫兹晶体有LiNbO3,GaSe,ZnGeP2等,其THz 调谐输出能量较高,但是调谐范围大多集中在5 THz以下.常见的有机太赫兹非线性光学晶体有4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐(DAST),4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶2,4,6-三甲基苯磺酸盐(DSTMS)和2-(3-(4-羟基苯乙烯基)-5,5-二甲基环己-2-烯亚基)丙二腈(OH1).这些晶体非线性光学系数更大,THz调谐范围也更宽.吴以成院士课题组[16]通过改善生长条件,生长出了大尺寸、高质量的DAST,DSTMS,OH1单晶.2015年,他们与天津大学姚建铨课题组合作,在DSTMS和OH1晶体中实现了0.9—19.7 THz和0.02—20 THz波段的调谐输出,是目前已报道的利用DSTMS和OH1晶体差频方法产生单频可调谐THz波的国际最高水平[17,18].尽管已取得辉煌的成就,然而已发现的非线性光学晶体并不能满足当今激光技术迅猛发展的需求,尤其是应用于深紫外、中远红外以及太赫兹波段的非线性光学晶体还亟待研发.目前新型非线性光学晶体研究的趋势是:1)探索新的结构基元,发展新的功能材料基因,并力图实现不同功能基因的组合;2)合理的元素取代,替换晶体生长过程中会使用到的有毒原料;3)在清晰的结构功能关系的基础上,改善和优化非线性光学材料的性能.探索新型的非线性光学晶体一直是功能材料学界的一个前沿领域和研究热点[19].目前来看,传统的炒菜式的实验方法已经不足以满足大规模高通量的非线性光学材料的探索,必须和第一性原理方法相结合.这主要体现在两个方面:1)实验探索进度相对缓慢,很难快速确认一种新材料是否具备深入研究的价值,而第一性原理计算是快速而高效的,只要有了晶体结构,就可以在短时间计算大量新材料的非线性光学性能;通过特定限制条件的选择,可以迅速地将有研究价值的材料筛选出来,这一点已经在我们前期的研究工作中有了明显的体现,例如我们已经成功地从接近100种金属硫磷化合物中筛选出了AgZnPS4这一具有研究价值的新型红外非线性光学晶体[20];2)实验上得到了好的结果以后,仅靠实验本身,无法分析其优异的非线性光学性能的来源,第一性原理方法可以提供原子和电子层次上的微观分析工具,对材料的非线性光学效应的来源进行系统而深入地剖析,加深对某一大类新材料的结构与性能之间的认识,从而为进一步描绘新晶体设计的蓝图打下基础.目前,常见的CASTEP,VASP,Abinit等计算程序包均可用于非线性光学系数的计算,并取得了和实验值比较符合的结果[21−23].在下面的章节中,我们将重点阐述第一性原理方法在新型非线性光学晶体探索中的应用;在紫外、中红外非线性光学晶体探索中进行分子设计;讨论在深入研究构效关系的基础上,如何建立以分子工程学为基础的专家系统;展望第一性原理方法用于非线性光学晶体探索的发展方向.2 利用第一性原理方法获得光学参数和构效关系决定非线性光学晶体性能的本征关键光学参数主要包括带隙、倍频系数和双折射.材料计算模拟方法不仅能够较准确地预测非线性光学晶体的关键光学参数,还可以定量和直观地分析其与晶体结构特征之间的内在关系.我们采用的计算方法是基于密度泛函理论(DFT)的随机相位近似[24]方法,对含时密度泛函[25],Bethe-Salpeter 方程[26]等方法并未深入研究.对于倍频系数的计算,采用由Rashkeev等[23]推导并经本课题组与台湾淡江大学李明宪教授课题组合作完善的计算公式[27]((1)—(4)式),通过共同开发的CASTEP计算子程序获得.对于一个特定的非线性光学系数分量,它的贡献主要来自于3部分:1)虚电子(virtual electron,VE)跃迁的贡献((2)式);2)虚空穴(virtual hole,VH)跃迁的贡献((3)式);3)双带(two bands)跃迁的贡献((4)式).通常而言,3)的贡献是非常小的,基本可以忽略不计.虚电子和虚空穴的贡献则与晶体材料电子的价带和导带的态密度密切相关.我们所推导得到的倍频计算公式如下:式中e是电子电荷,m是电子的静态质量,}是约化的普朗克常数,P(ij k)表示全交换,下标v和c分别代表价带和导带,ωcv为导带和价带之间的频率之差,p cv代表相应的动量跃迁矩阵元.二阶非线性光学转换过程是一个虚激发参量过程,光子并没有真正地从价带跃迁到导带上,因此只要准确计算基态的波函数,就可以得到准确的二阶非线性光学系数.但是由于二阶非线性光学系数计算的公式依赖于带隙值E g,而使用PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)或者局域密度近似(LDA)泛函的DFT计算一般会低估带隙E g,因此需要使用剪刀算符移动导带的位置,以获得与实验相符的短波截止边.为了实现真正无经验参数的第一性原理计算,我们采用了杂化泛函计算:对于紫外、深紫外化合物使用PBE0泛函,对于中红外化合物使用sX-LDA或者HSE06泛函.大量的计算测试表明,这样的选取可获得较为准确的带隙值[28,29].由于杂化泛函计算要求的资源较大,我们采用直观判定影响材料带隙的电子云分布的方法,提出了“非键轨道分析”和“MBVS带隙预测方法”[30,31],可直接从材料的原子构型出发,准确地预测光学材料的带隙.此外,在我们前期的参数测试中,测量光学性质选取的导带空带数也很重要,一般而言应该至少是计算时考虑的价带总数的3倍,才能得到比较准确的计算结果.表1 不同体系的非线性光学材料计算和实验性能参数Table 1.Calculated and experimental parameters of various nonlinear optical materials.化合物带隙/eV 二阶非线性光学系数/pm·V−1 双折射理论实验理论实验理论实验β-BaB 2 O4 6.30 6.56 d22=−1.38 d22=−1.60 0.114 0.113 LiB 3 O5 8.10 8.01d32=0.84 d32=1.05 0.047 0.041 KBe2BO 3F2 8.32 8.45 d11=0.41 d11=0.49 0.065 0.077 KH 2PO4 6.95 7.10 d36=0.42 d36=0.39 0.035 0.041 KSr CO3 F 6.25 6.35 d22=1.01 d22=0.50 0.105 0.105 AgGaS2 2.76 2.73 d36=14.1d36=13.0 0.053 0.034 AgGaSe2 1.41 1.83 d36=45.2 d36=33.0 0.048 0.044 BaGa4S7 3.31 3.58 d33=16.6 d33=12.6 0.063 0.04 BaGa4Se7 2.70 2.32d11=23.8 d11=24.3 0.071 0.07 Zn GeP2 2.00 1.92 d36=65.14 d36=70 0.037 0.05一种新发展的计算方法是否适用,第一要素就是检验其与已有实验数据的符合度.只有能够较好地重复出实验结果的方法,才是可靠的、值得信赖的方法.为此,我们挑选了一些典型的非线性光学晶体材料,包括硼酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硫化物、硒化物、磷化物等,其实验值与理论计算值列于表1中[32,33].从表1可以看出,我们计算的结果与实验值有极高的符合度.对宽带隙的氧化物,各项性能指标的误差一般小于20%;对窄带隙的硫族、磷族化合物,各项性能指标的误差一般小于30%.考虑到第一性原理方法不引入任何经验参数,这已经是一个相当好的结果,也为以后的性能预测与构效关系分析打下了坚实的基础.2.1 实空间原子切割方法利用前面公式得到的倍频系数是晶体整体表现出的物理量,并不能从中得到晶体结构中某一个特定基团对光学性质的贡献大小.为此,本课题组与李明宪教授课题组合作开发了实空间原子切割方法,可定量分析各个结构基元对光学性质的贡献[27].其基本思想是,将某一种特定基团包含的原子挑选出来,按照合理的半径进行球形切割,对切割半径之内的电子波函数进行保留,对切割半径之外的波函数做归零处理(“切割去除”),然后重新计算光学跃迁矩阵元,即可求出该未被切割去除部分对光学性质的贡献大小.如表2所列,我们对BBO和LBO两种非线性光学晶体进行了原子切割[27,34].可以看出,对几个主要的非线性光学系数分量,碱金属和碱土金属对光学性质的贡献非常小,而硼氧基团则起到核心作用.这与陈创天院士等[35]提出的阴离子基团理论得到的结论一致.利用实空间原子切割技术,不仅可以得到阴离子基团对光学性质的贡献,还可得到阳离子对光学性质的贡献.这相比阴离子基团理论更进一步.实空间原子切割方法在分析阴离子基团和孤立A位阳离子相互作用较弱的晶体上特别有优势(比如BBO晶体孤立的(B3O6)基团和Ba2+离子,KBBF晶体中二维的(Be2BO3F2)基团和K+离子),但对于某些阳离子和阴离子基团相互作用比较强的系统,这一方法的使用要格外小心.1)首先要对晶体结构进行合理划分,不能一味地将碱金属、碱土金属、稀土金属视为孤立阳离子.以非线性光学晶体La2CaB10O19(LCB)为例[36],长期以来,La3+和Ca2+都被视为孤立阳离子,在传统阴离子基团的框架下,其非线性光学效应的来源被视为是B5O12基团.第一性原理计算其非线性光学系数d21为0.58 pm/V,与实验值完美匹配.但是原子切割的结果显示,B5O12,Ca2+,La3+的贡献分别为0.46,0.01,0.06 pm/V.这样得到的切割结果偏小,说明有一部分贡献被忽略了.后来经过仔细检查原子与原子之间的成键强度,我们认为La3+不应该被视为孤立的金属阳离子,而应该和周围的10个氧原子共同视为LaO10阴离子基团,这样LaO10的贡献为0.19 pm/V,远大于孤立的La3+阳离子.与之相比,Ca2+与周围的O原子相互作用弱,仍应该视为孤立的阳离子.这样就对LCB晶体中的非线性光学效应来源有了更为明确的认识,为后续含稀土的非线性光学材料设计提供了更多参考.表2 BBO和LBO晶体中各个离子基团对于光学性质的贡献Table 2.Contribution of respective ionic groups to optical properties in BBO and LBO.BBO LBO(B 3 O6)3− Ba2+ (B 3 O 7)5− Li+折射率n 100 1.528 1.2396 1.564 1.408 n 010 1.528 1.2392 1.578 1.052 n 001 1.414 1.2390 1.607 1.051双折射 0.1160.0004 0.043 0.004二阶非线性光学系数/pm·V−1 d22=−1.5 −0.36d31=−0.496 −0.008 d32=0.571 0.0022)对含有Pb2+,Bi3+,Sn2+等金属阳离子的体系,也要特别小心.一般来说,这些阳离子都有孤对电子效应,可以产生较强的非线性光学响应,如BiB3O6,PbB4O7等.在对这些阳离子做切割时,传统的球形切割不太适用,需要继续发展沿着电子密度奇点位置的切割方式,这一方法正在发展中.2.2 倍频密度分析图实空间原子切割方法对分析晶体结构中的构效关系十分有效,但这种方法很难直观地判断晶体中特定原子在光学性质中所扮演的角色.为此,我们和李明宪教授合作,进一步发展了倍频(SHG)密度分析方法[37].该工具可以将晶体中某一类基团以及基团中的原子对倍频效应的贡献直观地表示出来,在构效关系的可视化进程中迈出了一大步. 在此,我们以β-Sr3(C3N3O3)2(β-SCY)晶体为例[38],介绍该工具的功能.如图1所示,SHG的贡献来源可以分为4类:1)虚电子占据态;2)虚电子未占据态;3)虚空穴占据态;4)虚空穴未占据态.其中未占据态对应着禁带中虚激发能级,一般其贡献远远小于电子占据态;虚电子的占据态对应着价带顶的电子分布,虚空穴的占据态对应着导带底的电子分布.在SCY晶体中,虚电子的占据态主要由平面(C3N3O3)基团中的O和N贡献,而虚空穴的占据态则主要由平面(C3N3O3)基团中的O和C 贡献.这些情况一方面可以在电子密度图上体现出来,另一方面也可以在SHG密度图上直接地展现,而且可视化程度更高.此外,利用这一工具,可以对三维的电子密度进行切割,观察每一个切面上的特征,做到对SHG来源逐点逐面分析.图1 β-SCY晶体d11系数的倍频密度图 (a)虚电子占据态;(b)虚电子未占据态;(c)虚空穴占据态;(d)虚空穴未占据态;(e)SCY晶体的总电子态密度和分波电子态密度(灰色、蓝色和红色小球分别表示碳、氮、氧原子,红色虚线代表费米能级,倍频电子密度大小由颜色深浅表示,蓝色代表0,红色代表0.1 e/Å3[38])Fig.1.SHG weighted electron densities ofβ-SCY crystal:(a)Occupied and(b)unoccupied VE process;(c)occupied and(d)unoccu pied VH process along(C3N3 O3)3− cross section;(e)total/partial electron density of states ofβ-SCY;C,N,and O atoms are represented by gray,blue,and red balls,respectively,the red dotted line represents Fermi level,SHG electron density is represented fromb lue 0 to red(0.1 e/Å3)[38].2.3 柔度因子模型柔度因子是本课题组于2014年提出的一个对SHG来源的新的描述符,用来衡量特定基团在外场扰动下对非线性光学效应的贡献大小[39].柔度因子越大,意味着基团越“软”,有更大的感生偶极矩,继而对非线性光学响应的贡献也更大.它的计算公式为其中C a和C b代表价电子数;R a代表平均键长;R o代表标准键长;B是经验常数,通常取0.37Å.显然,分子表示价键电荷数而分母表示原子之间及电子之间的库仑相互作用力.可以看出,柔度因子的值依赖于配位环境和键长,因此它特别适用于分析具有相似晶体结构特征的材料.在此我们以硅酸镓镧(LGS)体系为例,分析寻找La3SnGa5O14(LGSn)这一优秀的非线性光学晶体的过程,该工作与山东大学的张怀金、于浩海课题组合作完成[40,41].硅酸镓镧体系属于P321空间群,其晶体结构中的金属位置可以分为A,B,C,D 4个位点(图2(a)).首先以LGS为例,采用实空间原子切割方法,分析[A O8],[B O6],[CO4],[D O4]4种功能基团对非线性光学效应的影响.我们证实[LaO8]基团的贡献最大,而且一旦La被替换成碱土金属,其非线性光学效应会迅速下降.因此,为了保持较大的非线性光学效应,La元素不能被替换掉.而[C O4]和[D O4]位置由于对称性的限制,对非线性光学效应的贡献不大.在LGS中,[GaO6]八面体位置的贡献不大,当Ga被部分替换成Ta,Nb以后,LGN和LGT的非线性光学效应相对于LGS均有增强,这就启示我们B位是一个关键的非线性光学效应调控位点.为此,把原子半径更大、原子质量更重的Sn元素引入该结构体系.计算结果显示,LGSn的粉末倍频效应约为LGN的1.6倍,是目前已知的硅酸镓镧体系中效应最强的(图2(b)).我们计算了4种化合物[B O6]基团的柔度因子,发现[SnO6]基团的柔度因子最高(图2(c)),这说明LGSn中增强的非线性光学响应可以归因于[SnO6]基团更强的柔性.于浩海课题组实验合成了纯相LGSn粉末样品,倍频测试表明LGSn的粉末倍频效应约为LGN的2倍,与我们理论计算的结果相符合(图2(d)).在LGSn的发现过程中,理论和实验结合,相互印证,是新型非线性光学材料开发的一个典型例证.图2 (a)硅酸镓镧系列(A 3BC3D 2O 14)晶体结构示意图(A,B,C,D分别代表八配位、六配位和四配位晶格位点);(b)硅酸镓镧体系中的非线性光学效应与组分的关系;(c)LGS,LGT,LGN和LGSn中非线性光学系数与B位[MO 6]基团的感应柔度之间的关系;(d)波长λ=2090 nm下,LGSn与LGN的粉末倍频效应对比[41]Fig.2.(a)Schematic of crystal structure of langasites:three-dimensional framework,viewed along b axis;the local distorted polyhedron of diff erent cation sites,including decahedral A site,octahedral B site,tetrahedral C site,and tetrahedral D site;(b)the structure-composition-property maps of langasite family structures with diff erent elemental composition on A and B sites;(c)the relationship between SHG coeffi cients and fl exibility index of(MO 6)groups in LGS,LGT,LGN,and LGSn;(d)powder SHG response of LGSn at 2090 nm,LGN is taking as a reference[41].除了非线性光学系数以外,第一性原理计算还可以得到晶体的带隙、折射率、声子振动性质、杨氏模量等.通过带隙值和声子振动频率,可以估计晶体的紫外和红外透过截止边,从而获得材料的透过区间;通过折射率色散曲线,可以得到材料的相位匹配区间,判断其实用的工作波段;通过计算声子谱,可以定性地给出材料的稳定性,对预测新材料是否存在有关键作用.杨氏模量和体模量的大小可以初步判断材料的硬度和机械加工性能.总而言之,第一性原理计算方法能够在不借助任何实验参数的情况下得到材料的诸多性质,可以大大加速新材料的研发过程.下面我们从应用于不同光谱区域(深紫外、中红外和太赫兹)的非线性光学晶体以及具有新颖微观结构基元的非线性光学晶体两方面,详细介绍第一性原理方法在新型非线性光学晶体材料研发中的应用.3 深紫外、中红外和太赫兹新型非线性光学晶体3.1 深紫外非线性光学晶体探索深紫外激光在激光光谱学、凝聚态物理、化学反应动力学方面有重大的应用价值.结合已有的成熟的半导体激光技术,发展全固态深紫外光源是国际科学界共同关注的前沿科学问题.目前我国在这一领域保持领先地位,陈创天院士发明的KBBF晶体是目前国际上惟一在Nd:YAG激光器1.064µm六倍频方面得到实际应用的晶体,这一晶体的发现、生长及其应用在国际上产生了重大影响.2006年以来,中国科学院物理研究所和中国科学院理化技术研究所合作,成功地研制了包括真空紫外激光角分辨光电子能谱仪在内的基于深紫外全固态激光源的一系列谱仪[42],这些仪器都是国际首创,指标国际领先.由于KBBF晶体的重要性,《Nature》杂志于2009年专门刊发了一篇文章,以《中国的晶体秘藏(China’s crystal cache)》为题,介绍了KBBF晶体的发展[43].但是,目前KBBF晶体在厚度上存在生长瓶颈,严重阻碍了它的大规模应用.对于KBBF晶体,我们首先要从理论上回答为什么它具有如此优异的深紫外非线性光学性能,然后针对它存在的两个问题,即层状生长习性和原料BeO有剧毒,提出相应的解决方案.3.1.1 材料的深紫外透过性能深紫外非线性光学晶体生成的首要条件是在深紫外波段有高的透过率,这就要求晶体的带隙要大于6.25 eV(200 nm),最好位于7.5—8.0 eV.鉴于目前深紫外非线性光学晶体的研究主要集中于强共价性的硼酸盐、磷酸盐体系,我们主要关注该体系化合物的能带特征.深紫外区非线性光学材料中的功能基团可以分为两大类:一类是含有平面共轭π键的BO3,CO3,B3O6等基团,其电子组态是sp2杂化;另一类是四面体配位的BO4,PO4基团,其电子组态为sp3杂化.一般来说,sp3杂化基团由于没有π轨道,其带隙明显大于sp2杂化基团,比如典型的BPO4和SrB4O7晶体,其带隙达到了10 eV以上,深紫外透过截止边接近130 nm[44,45].在某些磷酸盐体系(Ba3P3O10Cl)中[46],通过对卤素原子的合理剪裁,带隙也可以从180 nm蓝移至167nm(Ba5P6O20),满足Nd:YAG激光六倍频(177 nm)的带隙需求[47].对sp2杂化的平面基团,分子设计的核心思想是要消除末端O原子的非键轨道,进而有效地扩展带隙.以BO3为例,含有孤立BO3基团的Ca3(BO3)2截止边约为190nm,末端连接一个Al原子的BABF晶体的截止边蓝移至170 nm,连接两个Be原子的KBBF晶体的截止边蓝移至151 nm.从KBBF的电子密度图(图3)上可以看出,价带顶O原子的非键轨道带宽仅为1 eV,说明绝大部分的非键轨道都被强的Be—O共价键有效地消除了;而仅连接一个Be原子的NaBeB3O6晶体价带顶O原子的非键轨道带宽约为2 eV,带隙减小,紫外截止边相应红移[48].由于Nd:YAG激光六倍频位于177 nm,因此我们格外关注那些能透过到170 nm 以下,最好能透过到150 nm以下的晶体材料.在目前的平面基团体系中,只有KBBF 和CsB4O6F两种晶体在实验中证实有极佳的深紫外透过能力[49,50](图4).本课题组在2013年曾经对氟碳酸盐体系进行分子设计,发现如果能用Be或者Al元素连接CO3的末端氧原子,就可以将碳酸盐的紫外截止边扩展到160 nm左右[51,52].而对于NO3和C3N3O3体系,目前还没有太多的实验进展,需要更多的探索研究. 图3 (a)KBBF和(b)NaBeB 3O6晶体中BO 3周围的配位环境示意图;(c)KBBF和(d)NaBeB 3O 6的电子态密度[48]Fig.3.Schematic of the coordinated environments around oxygen atoms in(a)KBBF and(b)NaBeB 3O6;the density of states for(c)KBBF and(d)NaBeB 3 O6[48].图4 含有不同功能基元的非线性光学材料的深紫外透过截止边Fig.4.Deep ultraviolet transparent edge of nonlinear optical materials containing various functional units.3.1.2 折射率色散对相位匹配的关键作用作为一个优良的深紫外非线性光学晶体,除了良好的深紫外透过性能以外,足够大的双折射也是一个重要的条件.由于深紫外光学材料的工作区间已经十分逼近本征透过极限,因此在200 nm以下的波段,折射率色散较大,会十分显著地影响其相位匹配性能.由于折射率的测量通常需要3 mm以上厚度的棱镜,而深紫外光源又十分短缺,因此在实验上测量完整的折射率色散曲线并不容易.这就为第一性原理计算发挥作。
Sr_(2)MoBO_(6)(B=Os、Re、W)的电子结构与光学性质的第一性原理
为了准确地描述 d 电子的库伦关联作用,计算采用“ 旋转不变” 法对 Mo 4d 和 B 5d 轨道进行了“ + U” 计
算 [15] 。 通过对一系列合理 U 值的测试( Mo:2 ~ 6 eV;B:1 ~ 4 eV) ,发现得到的主要结论是一致的。 因此,选
质进行理论计算,并分析能带结构与介电函数、吸收系数之间的联系,以期得到在可见光波段具有宽光谱、强
吸收的双钙钛矿材料。
1 计算方法
本文采用 VASP 软件包 [16-17] 对 Sr2 MoBO6 ( B = Os、Re、W) 进行晶体结构优化。 其中电子间的交换关联
能由广义梯度近似( GGA) 的 PBE 泛函 [18] 处理,电子与离子间的相互作用由投影缀加平面波( PAW) [19] 方法
( College of Science, Qiqihar University, Qiqihar 161000, China)
Abstract:Double perovskite oxides Sr2 MoBO6 ( B = Os,Re,W) have been predicted to be half metals with high magnetic
2 结果与讨论
2. 1 晶体结构与电子结构
Sr 2 MoBO 6 ( B = Os、 Re、 W) 的 晶 体 结 构 均 为 立
方结构, 空 间 群 为 Fm-3 m ( No. 225 ) , 晶 格 常 数 约
为0 . 8 nm,结 构 示 意 图 如 图 1 所 示。 三 种 晶 体 的
以发现,三种 Mo 基化合物的磁转变温度均高于室温,且 Sr2 MoWO6 和 Sr2 MoOsO6 展现出半金属性质。 另外,
BiVO4光阳极晶面调控增强光电催化性能研究
BiVO4光阳极晶面调控增强光电催化性能研究摘要：随着环境污染和能源危机的不断加剧，光电催化技术作为一种可持续发展的解决方案，受到了广泛关注。
在本研究中，我们采用了以BiVO4为光阳极的光电催化体系，通过调控其晶面结构来增强其光电催化性能。
通过一系列实验及表征，我们发现晶面调控对光电催化性能具有显著影响，并找到了最佳的晶面控制条件。
这项研究对于光电催化技术的进一步发展和应用具有重要意义。
1. 引言光电催化技术是利用光能转化为化学能的一种高效能源转换技术，可以应用于水分解、CO2还原等反应过程，有助于解决环境和能源问题。
而BiVO4作为一种重要的光电催化材料，具有较高的光电转化效率和优良的稳定性，因此备受关注。
然而，BiVO4光电催化性能的进一步提升仍面临一些挑战。
2. 实验过程在本研究中，我们采用溶液法合成了BiVO4光阳极，并通过控制制备过程中的温度、时间和配方等参数，获得了不同晶面结构的BiVO4样品。
通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等表征手段，我们对所合成样品的结构和形貌进行了分析，并确定了其晶面结构。
3. 结果与讨论我们系统研究了不同晶面结构的BiVO4样品的光电催化性能。
实验结果表明，与其他晶面相比，某一特定晶面结构的BiVO4样品具有更高的光电转化效率和催化活性。
进一步分析发现，这种提高是由于特定晶面结构能够提供更多的活性位点和更好的电子传输性能。
我们进一步研究了晶面调控的机制，并通过调控制备条件，实现了最佳晶面结构的控制。
4. 结论本研究通过调控BiVO4光阳极的晶面结构，成功增强了其光电催化性能。
通过一系列实验证明，特定晶面结构的BiVO4样品具有更高的光电转化效率和催化活性。
这项研究的结果对于光电催化技术的进一步发展以及其在环境和能源领域中的应用具有重要意义。
然而，仍有一些问题需要进一步研究，如晶面调控的机制、晶面结构与光电催化性能之间的关系等。
我们相信，随着这些问题的进一步解决，BiVO4光电催化技术将有更广阔的应用前景。
贵金属团簇结构和光学性质的第一性原理研究
东南大学硕士学位论文理复杂的缺点。
全电子方法的软件都有一个相同的特点：只需提供所要研究对象的结构信息，根据这些内容，软件就可以给每个原子设定相应的物理量，计算就可以开始。
根据处理方法的不同，全电子方法软件大体可分为：缀加球面波方法（ＡＳＷ）、全势线性缀加平面波（ＦＰ．ＬＡＰＷ）方法。
这类常见的软件有ＡＳＷ，ＥＬＫ，ＬＡＰＷ，ＷＩＥＮ２Ｋ，Ｆｌａｉｒ及ＦＬＥＵＲ。
２．３．２赝势方法所谓赝势，即在离子实内部用假想的势取代真实的势，求解波动方程时，能够保证能量本征值和离子实之间的区域的波函数的不变。
现在较常用的有三种，包括超软赝势（ＵＳＰＰ）法，投影缀加平而波（ＰＡＷ）法以及有效核势（ＥＣＰ）法。
常用软件包括Ｇａｕｓｓｉａｎ、ＶＡＳＰ及ＡＢｌＮＩＴ。
２．３．２．１超软赝势（ＵｌｔｒａｓｏｆｔＰｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ）在ＬＤＡ框架下，进行自洽电子结构和总能计算最有效的技术方案之一便是采用赝势方法。
离子实和价电子之问的相互作用用赝势来描述，并且用平面波基组展开质波函数的方法在第一性原理计算中得到了广泛的应用。
ＨＳＣ赝势（由Ｈａｍａｎｎ，Ｓｃｈｌｕｔｅｒ，Ｃｈｉａｎｇ建立）等其它几种用于第一性原理计算赝势的提出【ｌ２｜，奠定了这种技术的基础。
但这种技术在处理具有高度局域价电子轨道的体系时（如周期表中的第一行元素和过渡族金属元素）遇到了很大困难。
对于像Ｏ元素的２ｐ，Ｎｉ元素的３ｄ等的电子态波函数，需要大量的平面波才能得到较好的精度，这在计算机上是难以实现的。
一般认为，脱离于ＨＳＣ势而直接建立优化赝势的方法是更方便有效的Ｕ３］，即使这样，电荷守恒条件使对于像Ｏ元素这样的体系的价电子状态，用平面波展开时仍需要很大的基函数组。
如果将赝波函数同全同电子波函数相等价的截断半径Ｒｃ增大的话，就可以减小波函数的平面波基函数。
但是，由于电荷守恒条件的限制，增大Ｒｃ会使计算精度和势的可移植性降低。
由ＤａｖｉｄＶａｎｄｅｒｂｉｌｔ于１９９０年提出的超软赝势【１４坊法大大地弥补了上述方法的不足，用较小的平面波基组便可以得到精确的结果。
BiVO4的晶面修饰及光催化性能研究
BiVO4的晶面修饰及光催化性能研究BiVO4的晶面修饰及光催化性能研究摘要：近年来，光催化材料已经在环境治理和能源转化等领域展示出重要的应用潜力。
作为一种重要的光催化材料，BiVO4具有良好的光吸收性能和可见光催化活性。
然而，BiVO4的光催化性能严重受限于其表面结构与晶面的相互作用。
为了进一步提高BiVO4的光催化性能，研究人员开始关注晶面修饰对其光催化性能的影响。
本文主要综述了BiVO4的晶面修饰及其对光催化性能的影响，以期为设计和合成高效的BiVO4光催化材料提供理论指导。
1. 引言光催化技术自诞生以来，一直备受研究人员的关注。
光催化材料的性能主要取决于其能带结构和表面结构。
BiVO4作为一种可见光催化材料，其能带结构使其能够吸收可见光，并产生光生载流子对。
然而，由于表面结构与晶面的相互作用，BiVO4的光催化活性存在限制。
2. BiVO4的晶面修饰方法为了改善BiVO4的光催化性能，研究人员尝试了多种晶面修饰方法。
其中，形貌控制法、晶面调控法和物种修饰法是常用的方法。
2.1 形貌控制法通过调控BiVO4的晶面形貌，可以改变其比表面积和光催化性能。
常见的形貌控制方法包括溶剂热法、水热法、沉积法等。
研究表明，不同形貌的BiVO4晶体具有不同的光催化性能，如棒状BiVO4比颗粒状BiVO4具有更高的催化活性。
2.2 晶面调控法晶面调控法是通过改变晶粒的生长条件实现的。
研究人员发现，调控BiVO4的晶面种类和比例可以显著影响其光吸收和电子传输性能，进而改善其光催化活性。
常见的晶面调控方法包括控制添加剂、改变反应温度和反应时间等。
2.3 物种修饰法物种修饰法通过在BiVO4表面引入其他元素或物质，改变其表面活性位点和电子结构，从而提高光催化性能。
常见的物种修饰方法包括金属负载法、离子掺杂法和化学还原法。
实验证明，物种修饰可以显著提高BiVO4的光催化活性。
3. BiVO4晶面修饰对光催化性能的影响通过对BiVO4的晶面修饰，可以改善其光吸收和光生电荷分离能力，进而提高其光催化活性。