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戴欢**********
对象材料:铌酸锂晶体(LiNbO3)。
对铌酸锂晶体研究的意义和价值:铌酸锂晶体是一种集电光、双折射、声光、非线性光学、光弹、压电、光折变、热释电、铁电与光生伏打效应等性质于一身的人工晶体材料,多年来备受人们的青睐。它广泛应用于集成光和光波导,如光放大调制器、二次谐波器、Q-开光、光束转向器、相连接器、介电波导、存储元件、全息(光)数据处理装置等。铌酸锂晶体在常温下为铁电相,当温度高于局里温度时为顺电相。其结构决定了它的这些性质,下面将从其常温下的晶体结构、缺陷结构、电子能带结构、显微结构以及纳米结构分别对其作一个简单的介绍。
铌酸锂晶体的晶体结构:
铌酸锂晶体具有铁电相和顺电相结构,顺电相空间群为R3—C,铁电相空间群为R3C,属六方晶胞。如图,左图为铁电相,右图为顺电相。在铌酸锂晶体中,氧原子构成氧八面体,各氧八面体以共面的形式堆叠起来形成堆垛,公共面和氧八面体的三重轴垂直。许多个堆垛再以共棱的形式连接起来形成晶体。顺电相中,每个堆垛中的氧八面体按下述顺序交替出现:一个中心有Nb的氧八面体,两个在其公共面上有Li的氧八面体(图中未用直线连接),在其八面体空隙中,
1/3由Li原子占据,1/3为Nb,1/3为空穴。沿着C轴方向,原子排列顺序如下:Nb、空穴、Li、Nb、空穴、Li,……铁电相中,Li和Nb都沿着C轴发生了位移,在C轴产生了电偶极矩,即出现了自发极化,图中靠右边的水平线代表氧平面【1】。
常温下,铌酸锂晶体空间群为R3C,晶格常数为:a=b=
A,c=。各原子坐标如下⑵:
Atom
Site
Oxid
z
B
Occupancy
Li
6a
1
0
0

1
Nb
6a
5
0
0
0
0.
1
O
>
-2

1
基失坐标:al=(v3/25-i/25o)5a2=(o5i50)5a3=(o5o53)
铌酸锂晶体等效晶位的wyckoff符号【3】:
Multiplicity
Wyckoffletter
Sitesymmetry
Coordinates
(0,0,0)+(2/3,1/3,1/3)+(1/,2/3)+
18
b
1
(x,y,z)(--y,z)(-x+y.-)(-y,-+1/2)
(-x++1/2)(x,x-+1/2)
6
a
3.
(,z)(+1/2)
铌酸锂晶体的缺陷结构:
在理想的铌酸锂晶体中,沿着C轴方向,每个八面体之间以共面的形式连接,理想的堆积顺为:
・-LiO-NbO-VacO-LiO-NbO-VacO—(VacO表示空位八
6666666
面体)
当晶体中存在缺陷时,理想的堆积情况在局部被打乱,如图所示,原子成建情况也发生巨大的变化【5】。
图中上图【4】为无缺陷铌酸锂晶体的三维晶体结构,下图【5】为缺
陷态的铌酸锂晶体的三维晶体结构。由于锂离子和铌离子的半径几乎
相同,且处于相似的畸变氧八面体中,但由于Nb5+-O2-键强度大约是
Li+-02-键强度的5倍,所以LN晶体中易于形成本征缺陷,即锂位被铌离子占据,并且晶体必须保持电中性,形成了LN晶体的缺陷结构。
铌酸锂晶体的电子能带结构:
晶体的电子能带结构可用CASTEP软件进行直接计算。在能带和态密度计算时采用局域密度近似(LDA)的CA-PZ(一种局域近似交换相关能函数)和赝势相结合的方法。布里渊区的求和是通过Monkhorst-Packgrid网络的特殊K点取样来完成的,结构优化和性质计算使用的Monkhorst-PackK点取样网格均为6meshX6meshX6mesh。采用局域密度近似计算晶体的电子能带结构时,得到的能带间隙比实验结果偏小。
布里渊区【6】:先算倒格矢,然后画倒格子,最后在倒易空间垂直平分面得到布里渊区,如图:
0
t
I
H
OA
o
L?
说明如下:
Symmetrylines
edgeoftheasymmetricunit(pink)
symmetrylineoftheasymmetricunit
orflagpole(忙⑴
symmetrylinearidedgeoftheasymmetricunit
(bmwn)
edgeoftherepresenrationdomain(lighthlue)
symmetrylineoftherepresentationdomain
symmetn'lineandedge
''e(darkblue)
oftherepresentationdomain
Symmetrypoints
specialk-vectorpointsoftheasymmetricunitchosenasorbitrepresentatives
specialk-vectorpointsoftherepresentationdomainchosenaSiorbitrepresentatives
pointofnospecialsymmetryorauxiliarj1points,listedinthek-vectortables
如图【7】,为铌酸锂晶体的能带结构和态密度曲线:
(cyan)
(cyan)
ooO
11„n
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-20;-iI-20-^-i—II«|—•*|…
FYgXX024681012
CASKHPbandstructureDensityof
states/(electrons/ev)
能带结构由但部分构成:低于-15eV的区域;-5~0eV之间的价带;0eV以上的导带。价带的顶部在X点而导带的底部在Y点,均不在G点(布里渊的中心),即铌酸锂晶体为间接能隙晶体。。