高压下掺杂Yb3+离子无机材料缺陷结构与光谱特性关联的分子动力学模拟研究

The variation of defect structure around the rare earth ion doped in inorganic crystal under high pressure is the key factor to determine its pressure dependence of optical spectroscopy. At present, there are only a few studies to reveal the direct links between structural variation and luminescence line-shift of rare earth ions doped in inorganic crystals under high pressure and the models to describe the structural variation are empirical, arbitrary and oversimplified. In this application, different inorganic crystals doped with Yb3+ ions are taken as studied systems to explain or predict their pressure dependence of optical spectroscopy by parameterization model and the structure optimization method based on molecular dynamics to obtain the accurate structure information around the doped Yb3+ ion in crystals under high pressure. Furthermore, an anomalous situation that the spin-orbit coupling parameter of Yb3+ ion in some semiconductors like InP and GaN crystals does not reduce with the increase of pressure, which can not be interpreted by the present theories, will be explained quantitatively with new mechanism. This investigation will give a deep understanding of how the optical spectroscopy of the doped rare earth ion in crystal will change under high pressure and help design new materials and devices.

高压作用下无机材料中掺杂稀土离子的缺陷结构与此种材料中稀土离子光谱随压力作用的变化密切相关。目前，从理论上揭示体系在压力下的“结构变化-谱线移动”之间直接联系的工作并不多见，并且获得这一结构变化的方法大多基于过于简单并有一定随意性的经验模型。本项目以掺杂Yb3+稀土离子的无机材料为研究对象，采用基于分子动力学的结构优化方法来获得高压作用下无机材料中掺杂Yb3+离子及其周围配体的准确结构并结合参量化模型来解释或者预测研究体系的光谱特性在高压下的变化情况。此外，对于现有理论无法解释的Yb3+离子在InP及 GaN等半导体材料中的旋轨耦合系数随压力作用变化的“反常”情况也将采用新的机制解释并给出定量的计算方法。本项目为深入理解无机材料中掺杂稀土离子光谱在高压这一极端条件下的变化规律以及实用上设计相关的材料和器件提供了一个重要的参考。

研究高压作用下无机材料中掺杂稀土离子的缺陷结构与此种材料中稀土离子光谱随压力作用变化的关系具有重要的意义，其可以为深入理解无机材料中掺杂稀土离子光谱在高压这一极端条件下的变化规律以及实用上设计相关的材料和器件提供一个重要的参考。本项目就是以各种掺杂Yb3+离子的无机材料为研究对象，采用基于第一性原理的结构优化方法来获得高压作用下无机材料中掺杂Yb3+离子及其周围配体的准确结构并结合参量化模型来解释或者预测研究体系的光谱特性在高压下的变化情况。此外，在第一性原理计算的帮助下，本项目还对Yb3+离子在InP及GaN等半导体材料中的旋-轨耦合系数随压力作用的“反常”变化情况给出解释及定量分析模型。现有的结果和分析表明：基于第一性原理的结构优化方法比经典的分子动力学方法更加适合有外界高压作用于研究体系的情况，能够解决分子动力学难以解决的高压作用引起局部结构相变的问题。现阶段获得的Yb3+离子在各类材料中的准确的晶场参量数据（通过同时分析体系零压下的光谱和电子顺磁共振谱得到）是计算其压力作用下光谱变化的重要基础。同时经过仔细的理论分析，我们可以认为Yb3+离子在InP及GaN等半导体材料中的旋-轨耦合系数随压力作用“反常”变化的原因来自于Yb3+离子的f壳层电子与基质半导体材料价带电子在高压下的相互作用。采用第一性原理计算的掺杂Yb3+离子无机材料体系的电子结构数据帮助我们分析建立了这些Yb3+离子的f壳层电子与基质材料价带或导带电子在高压下相互作用的等效哈密顿模型，这一模型可以解释晶体中Yb3+离子（或者整个镧系离子）旋-轨耦合系数随压力的变化情况。