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【摘 要】：江苏激光联盟指南： 据悉，中科院上海光学精密机械研究所（SIOM）课题组的研究人员使用了密度泛函理论的第一性原理方法对近紫外和可见光区的Ti：蓝宝石激光晶体的起源进行了理论

江苏激光联盟指南：

据悉，中科院上海光学精密机械研究所（SIOM）课题组的研究人员使用了密度泛函理论的第一性原理方法对近紫外和可见光区的Ti：蓝宝石激光晶体的起源进行了理论研究。相关研究成果已发表于 Materials Today Communications?

氧化铝是一种无机金属氧化物材料，具有多种晶型（如α、β、γ-Al2O3）。其丰富而优良的理化性能使其广泛应用于薄膜基材、先进陶瓷、保护涂层、激光晶体等诸多领域。其中，掺钛α-Al2O3晶体（又名Ti：蓝宝石）经过几十年的发展已成为三大基本激光晶体材料之一，在超强、超快等领域发挥着重要作用。和可调谐激光晶体。然而，由于掺钛?Al2O3?作为一种光学材料进行了研究，但在确定其吸收光谱中吸收带的起源方面遇到了许多困难。根据波长分布，这些有问题的吸收带大致可以分为三个区域：在390 nm处有峰值的近紫外吸收带，具有多峰结构和小突起的可见吸收带，其余的红外吸收带和激光发射有重叠。

第一性原理方法已被证明是研究Ti掺杂Al2O3体系缺陷行为和电子光学性质的有效方法。因此，研究人员打算通过理论计算来解释 Ti 掺杂的 Al2O3 中这些有问题的吸收特性。在这项研究中，研究人员对Ti:Sapphire在近紫外和可见光区域的可疑吸收现象进行了系统的理论研究。

缺陷模型和理论计算

所有计算均基于密度泛函理论和平面波赝势方法的 CASTEP 代码执行。图 1 显示了主要的缺陷模型。如图 1(a) 所示，所有模型都是在 ?Al2O3? 中构建的。包含 120 个原子 (72 O, 48 Al) 的超级胞 (2×2×1)。 Al2O3 的优化晶格参数？超胞（a = 9.6285 ?，双晶胞，c = 13.1394 ?）与实验和理论数据匹配良好。图 1(b) 显示了间隙 Ti3+ 和置换 Ti3+ 之间的转变过程。当间隙Ti3+和Al空位共存时，间隙Ti3+会松弛到相邻Al空位的位置，形成置换Ti3+等缺陷。图1(c)-(e)依次显示了线性接触Ti3+-Ti3+、表面接触Ti3+-Ti3+和点接触Ti4+?-Ti3+离子对模型。

▲图一(a) Al2O3 超胞，由 VESTA 绘制，(b) 间隙 Ti3+、Al 空位和位移 Ti3+ 模型及其转化过程，(c) 线接触 Ti3+ — Ti3+ 离子对模型，(d) 面接触 Ti3+— Ti3+ 离子对模型(e) 点接触？ Ti4+-Ti3+离子对模型（Al空位被认为是?Ti4+?的电荷补偿机制）

单Ti掺杂杂项缺陷模型-近源-紫外吸收

首先研究了单个Ti3+掺杂缺陷模型的情况。作为掺钛 Al2O3 激光晶体中的活性离子，Ti3+ 是一种常见的缺陷。它是在Al2O3晶体结构的AlO6八面体中用一个Ti原子和Al原子代替Al原子形成的。至于间隙Ti3+，如图1。如图1(b)所示，位于剩余空间的剩余空间，沿C轴沿C轴占用空间剩余空间.考虑到孤立的填隙Ti3+已被证明是由于其高形成能，并且已证明Al空位可以降低填隙Ti3+的形成能。因此，在这项工作中研究了间隙 Ti3+ 和 Al 空位的共存。结果表明，当两者共存时，间隙Ti3+松弛了相邻Al空位的位置，最终形成缺陷，如取代Ti3+。

▲图2 . (a) ～ (c) TiO6？间隙Ti3+、置换Ti3+和固定间隙Ti3+模型结构优化后的八面体几何形状及相关参数； (a')~(c')分别含有填隙Ti3+和置换Ti3+的相应能带结构，单个Ti3+掺杂Al2O3？具有固定间隙 Ti3+ 的超级电池。 （在能带计算中考虑了自旋极化。由于在吸收光谱计算中不考虑自旋反转跃迁，因此只给出了自旋极化能带）。

3d电子取代Ti3+离子的Ti 3d轨道到Al 3s3p轨道的电荷转移跃迁是近紫外吸收带的主要原因。计算的吸收光谱与实验光谱非常吻合。这很好。

另外可以看出吸收带的多峰构型和突起主要由线接触Ti3—Ti3+、面接触Ti3+—Ti3+组成和点接触 Ti4+—Ti3+ 离子对引起。

此外，研究人员从配体场论和热活化的角度对可见光吸收带的多模态构型和凸点有了更全面的了解. .

这项研究不仅揭示了掺钛 Al2O3 中可疑吸收特性的起源？对物体的缺陷和特性的研究提供了思路。

本文来源：龚秋瑞等，Ti掺杂近紫外和可见光吸收特性的理论研究α- Al2O3 单晶，《今日材料通讯》（2021 年）。 DOI：10.1016/

文章来源：《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0714/1512.html