黄铜矿结构三元化合物电子结构和光学性质密度泛函研究

论文摘要

黄铜矿结构型三元化合物是一类重要的非线性光学晶体材料，尤其在红外波段激光频率转换方面具有十分广阔的应用前景。为了深入地了解这类化合物的微观电子结构与非线性倍频效应之间的内在联系，进一步开展理论研究是十分必要的。本论文采用密度泛函方法，系统地研究了由ⅡB、ⅣA、ⅤA元素组成的ABC2(A=Zn, Cd; B=Si,Ge, Sn; C=P, As)系列化合物共12种晶体的构型、电子结构和光学性质，并对这些晶体的倍频效应的来源进行了探讨。本论文的研究结果表明：（1）对于同一系列ZnBC2或CdBC2晶体，它们具有相类似的能带结构和带密度分布。这些体系的带隙遵循一定的递变规律，即当C原子相同时，体系带隙按Si→Ge→Sn顺序依次减小；当B原子相同时，带隙自P→As顺序递减。与ZnBC2相比，除了少数化合物外，含Cd体系的带隙要比相应含Zn的体系小。（2）对于同一系列晶体来说，当C原子相同时，它们的静态介电常数以及静态折射率随着B原子自Si→Ge→Sn顺序依次递增；当B原子相同时，则随着C原子自P→As顺序依次递增。这12种黄铜矿结构化合物中绝大多数晶体(10种)为正单轴晶体。通过分析这些化合物的发射谱和吸收系数曲线可知，在这些晶体中含P的化合物在红外区均具有较好的线性光学性能；而大多数含As的化合物在红外区的透光性能较差。（3）这些黄铜矿化合物的静态倍频系数(d36)变化范围较广。它们的倍频系数的变化规律与带隙正好相反，即在同一系列晶体中当C原子相同时，倍频系数随B原子自Si→Ge→Sn顺序依次增大；当B原子相同时，倍频系数随C原子按P→As顺序依次递增；CdBC2体系的倍频系数比含有相同B、C原子的ZnBC2体系的大一些。通过将体系的倍频系数分解到各个能带，结果表明它们的倍频效应主要来自于价带顶以C原子的p为主要成分的能带与以B原子的价层p成分为主的空带之间的跃迁。综合以上的性质来看，在这12种晶体中，ZnGeP2同时具有较大的倍频系数、较适中的双折射率以及良好的红外透光性，是一种性能优良的非线性光学材料；CdGeAs2具有很大的倍频系数，但进一步的研究和应用将受到其线性光学性能的限制；相对而言，CdSiP2、ZnSnP2和CdSnP2等晶体在非线性频率转换的应用上可能也具有较大的潜力。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 非线性光学现象
• 1.2 非线性光学晶体简介
• 1.3 理想的非线性频率转换晶体
• 1.4 红外倍频晶体的研究现状
• 1.5 本论文研究内容及目的
• 第二章 非线性晶体光学材料的理论计算方法
• 2.1 计算方法
• 2.2 二阶非线性光学系数的表述
• 2.3 计算光学性质的影响因素
• 2.3.1 剪刀差的影响
• 2.3.2 能带数目的选择
• 2.3.3 K 网格的确定
• 2.4 本章小结
• 2（B=Si, Ge, Sn; C=P, As）的电子结构和光学性质'>第三章 三元化合物 ZnBC₂（B=Si, Ge, Sn; C=P, As）的电子结构和光学性质
• 3.1 前言
• 3.2 计算方法
• 2体系的计算结果与讨论'>3.3 ZnBP₂体系的计算结果与讨论
• 3.3.1 构型优化结果和电子结构
• 3.3.2 线性光学性质
• 3.3.3 二阶非线性光学性质
• 2体系的计算结果与讨论'>3.4 ZnBAs₂体系的计算结果与讨论
• 3.4.1 构型优化结果和电子结构
• 3.4.2 线性光学性质
• 3.4.3 二阶非线性光学性质
• 3.5 本章小结
• 2（B=Si, Ge, Sn; C=P, As）的电子结构和光学性质'>第四章 三元化合物 CdBC₂（B=Si, Ge, Sn; C=P, As）的电子结构和光学性质
• 4.1 前言
• 4.2 计算细节
• 4.3 构型优化结果和电子结构
• 4.4 线性光学性质
• 4.4.1 折射率与双折射率
• 4.4.2 反射率与吸收系数
• 4.5 非线性光学性质
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 构型和电子结构
• 5.2 线性光学性质
• 5.3 二阶非线性光学性质
• 5.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间已发表和录用的论文