铌酸锂晶体掺杂离子与本征缺陷相互作用的机理探索

Lithium niobate (LiNbO3) is a kind of multi-functional optical crystal materials, which is an enduring and important material with developing novel functional and application fields. Almost all the metal elements can be incorporated into the lattice with high concentration to change their physical and chemical properties. A lot of intrinsic defects exist in the crystals, and the interaction mechanism between doping ions and intrinsic defects is still unclear however. In this project, we aim at exploring the interaction configuration, charge compensation type and mechanism, as well as the formation and transfer process of intrinsic defects and doping ions in LiNbO3 and explaining the prioritization of the ion doping in the lattice sites by using the density functional theory, in conjunction with Green’s function many-body perturbation theory and ab initio molecular dynamics. Furthermore, we will develop the calculation package of second-order polarizability, and further study the effect of doping and defects on the linear and nonlinear optical response in LiNbO3. It will provide theoretical support for revealing the novel properties induced by doping modification, and the practical applications in nonlinearity of LiNbO3.

铌酸锂是一种具有多功能效应的光学晶体材料，是少数经久不衰并不断开发新功能特性和应用领域的重要材料。其晶格几乎能够容纳所有金属元素高浓度掺杂，实现对其物理化学性能的调控。然而铌酸锂晶体中存在大量的本征缺陷，掺杂离子与本征缺陷的相互作用机理还不明确。本项目拟结合密度泛函理论、格林函数多体微扰理论和从头算分子动力学，研究掺杂离子进入铌酸锂晶格后与本征缺陷相互作用的几何结构、电荷补偿形式和机制，以及掺杂离子和本征缺陷形成和运动的动力学过程，对掺杂离子的占位难易规律予以合理解释。同时，发展晶体二阶极化率的计算程序，探讨缺陷和掺杂对铌酸锂晶体线性和非线性光学响应的调制规律，以期为以铌酸锂为代表的ABO3类晶体的掺杂改性及其在非线性光学中的实际应用提供理论指导。

铌酸锂一种集电光、声光、非线性光学、光折变和激光活性等多种功能特性于一体的光学晶体材料。其特殊的晶体结构，使其几乎能够容纳所有金属作为杂质高浓度掺入晶格。掺杂作为调控晶体物理化学特性的重要手段，能够拓宽铌酸锂的应用范围。铌酸锂晶体中存在大量本征缺陷，掺杂离子与本征缺陷的相互作用对其掺杂占位、电子结构等性质具有重要影响。本项目基于第一性原理，研究了不同类型的掺杂离子在铌酸锂晶体中的掺杂形式以及掺杂后的电子结构特征，探讨不同类型掺杂离子的价态、电子组态等对晶体光学性质的影响规律。在此基础上，研究本征缺陷与掺杂离子相互作用机理，为铌酸锂的掺杂改性以及在光学中的实际应用提供理论指导。.本项目取得的重要成果和结论如下：（1）研究了系列抗光折变和光折变离子在铌酸锂晶体中稳定存在的结构、电子结构和光吸收、二阶极化率等线性和非线性光学性质，探讨了掺杂浓度对掺杂离子稳定性和相关性质的影响。研究表明，抗光折变离子的闭壳层电子结构决定了掺杂后铌酸锂的抗光损伤能力；光折变离子会产生电子捕获行为，与局域晶格相互作用形成极化子（小极化子和双极化子），其极化行为是影响铌酸锂光折变的重要因素。（2）通过定义掺杂离子从A移动到B位点的转变能，研究了同成分铌酸锂中系列抗光折变和光折变离子的占位难易规律。研究表明，同种类型的掺杂离子进入铌酸锂晶格后优先占据NbLi位、正常格点的Li位和Nb位的顺序，主要由掺杂离子的价态以及相应反位缺陷的形成能决定，其占位的优先顺序是影响掺杂阈值的重要因素。（3）研究了系列抗光折变和光折变离子与本征缺陷的相互作用机理。研究表明，抗光折变离子形成的缺陷团簇均保持原有的C3对称性，而光折变离子形成的缺陷团簇则会打破原有的C3对称性；抗光折变离子通过取代NbLi减少本征光折变中心，且从能量上抑制NbLi的产生，从而提高抗光折变能力；光折变离子与NbLi产生捕获电子的竞争，一定程度上抑制了NbLi捕获电子而产生光折变。