含羟基结构熔石英光电性质的第一性原理研究

石彦立; 韩伟; 卢铁城; 陈军

doi:10.7498/aps.63.083101

摘要

熔石英是高功率激光装置中广泛使用的激光透镜材料. 采用第一性原理结合平面波赝势方法，研究了熔石英材料中羟基结构的生成模式，系统计算了材料的电子态密度、差分电荷密度、原子电荷布居分布，分析了包含羟基熔石英材料的光学跃迁模式. 研究结果表明：熔石英中的三配位硅原子缺陷在禁带中生成了两条缺陷能级，分别位于7.8和8.8 eV；研究还发现氢原子与五配位硅原子发生相互作用生成羟基结构，该反应还使三配位硅原子的杂化方式由sp2变为sp3，这种羟基结构会影响体系的电子结构，使原有的7.8和8.8 eV缺陷能级消失，并在费米面上生成一条半占据态缺陷能级，引起激发能为6.2 eV的光学跃迁.

关键词:

Abstract

The formation model of hydroxyl group in silica glass is studied by first-principles calculations combined with coupling plane wave pseudo-potential method. The electronic structures and optical properties of silica glass with and without hydroxyl group are systematically calculated, including electronic densities of states, charge difference densities, Bader charge, etc. And optical transition models are analyzed. Our results show that three-fold coordinated silicon in silica glass induces two defect energy levels in forbidden gap, which are at 7.8 eV and 8.8 eV, respectively. Also, we find that H atom can interact with five-fold coordinated Si and forms hydroxyl group, and causes the three-fold coordinated silicon atom to change from sp2 hybridization to sp3 hybridization. Such a kind of hydroxyl group influences the electronic structure and optical properties of silica glass, by forming a half-occupied electronic state at Fermi level, and also by generating an optical transition, of which the excitation energy is 6.2 eV.

Keywords:

作者及机构信息

1.
四川大学物理科学与技术学院, 成都 610065;

2.
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088;

3.
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳 621900

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：1172048）和国防基础科学研究计划（批准号：B1520132013）资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, China;

2.
Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088, China;

3.
Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 1172048) and the National Defense Basic Scientific Research Program of China (Grant No. B1520132013).

参考文献

[1]	Moses E I 2004 Proc. SPIE 5341 13
[2]	Andr’e M L, Decroisette M 1998 Europhys. News 6 235
[3]	Liu H J, Wang F R, Luo Q, Zhang Z, Huang J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zheng W G 2012 Acta Phys. Sin. 61 076103 (in Chinese) [刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2012 61 076103]
[4]	Salleo A, Taylor S T, Martin M C Panero W R, Jeanloz R, Sands T, Génin F Y 2003 Nat. Mater. 2 796
[5]	Salleo A, Sands T, Génin F Y 2000 Appl. Phys. A 71 601
[6]	Wang F R, Huang J, Liu H J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zhen W G 2010 Acta Phys. Sin. 59 5122 (in Chinese) [王凤蕊, 黄进, 刘红婕, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2010 59 5122]
[7]	Skuja L 1998 J. Non-Cryst. Solids 239 16
[8]	Skuja L 2001 Proc. SPIE 4347 155
[9]	Weeks R A 1956 J. Appl. Phys. 27 1376
[10]	Griscom D L, Friebele E J 1986 Phys. Rev. B 34 7524
[11]	Lu Z Y, Nicklaw C J, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pantelides S T 2002 Phys. Rev. Lett. 89 285505
[12]	Devine R A B, Arndt J 1989 Phys. Rev. B 39 5312
[13]	Radzig V A, Bagratashvili V N, Tsypina S I Chernov P V, Rybaltovskii A O 1995 J. Phys. Chem. 99 6640
[14]	Sempolinski D R, Seward T P, Smith C, Borrelli N, Rosplock C 1996 J. Non-Cryst. Solids 203 69
[15]	Shimbo M, Nakajima T, Tsuji N, Kakuno T, Obara T 1999 J. Appl. Phys. 38 L848
[16]	Oto M, Kikugawa S, Miura T, Hirano M, Hosono H 2004 J. Non-Cryst. Solids 349 133
[17]	Hosono H, Abe Y, Imagawa H, Imai H, Arai K 1991 Phys. Rev. B 44 12043
[18]	Imai H, Arai K, Hosono H, Abe Y, Arai T, Imagawa H 1991 Phys. Rev. B 44 4812
[19]	Stone J 1987 J. Lightwave Technol. 5 712
[20]	Schmidt B C, Holtz F M, Beny J M 1998 J. Non-Cryst. Solids 240 91
[21]	Ikuta Y, Kajihara K, Hirano M, Hosono H 2004 Appl. Opt. 43 2332
[22]	Yokozawa A, Miyamoto Y 1997 Phys. Rev. B 55 13783
[23]	BlochlP E 2000 Phys. Rev. B 62 6158
[24]	Godet J, Pasquarello A 2005 Microelectr. Engineer. 80 288
[25]	Pacchioni G, Ferrario R 1998 Phys. Rev. B 58 6090
[26]	Giordano L, Sushko P V, Pacchioni G, Shluger A L 2007 Phys. Rev. B 75 024109
[27]	Donadio D, Bernasconi M, Boero M 2001 Phys. Rev. Lett. 87 195504
[28]	Sarnthein J, Pasquarello A, Car R 1995 Phys. Rev. B 52 12690
[29]	Munetoh S, Motooka T, Moriguchib K, Shintani A 2007 Comput. Mater. Sci. 39 334
[30]	Johnson P A V, Wright A C, Sinclair R N 1983 J. Non-Cryst. Solids 58 109
[31]	Dupree R, Pettifer R F 1991 Nature 308 523
[32]	Paier J, Marsman M, Hummer K, Kresse G, Gerber I C, Angyan J G 2006 J. Chem. Phys. 125 249901
[33]	Deák P, Aradi B, Frauenheim T, Janzén E, Gali A 2010 Phys. Rev. B 81 153203
[34]	Martin-Samos L, Bussi G, Ruini A, Molinari E 2010 Phys. Rev. B 81 081202

施引文献

[1]	Moses E I 2004 Proc. SPIE 5341 13
[2]	Andr’e M L, Decroisette M 1998 Europhys. News 6 235
[3]	Liu H J, Wang F R, Luo Q, Zhang Z, Huang J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zheng W G 2012 Acta Phys. Sin. 61 076103 (in Chinese) [刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2012 61 076103]
[4]	Salleo A, Taylor S T, Martin M C Panero W R, Jeanloz R, Sands T, Génin F Y 2003 Nat. Mater. 2 796
[5]	Salleo A, Sands T, Génin F Y 2000 Appl. Phys. A 71 601
[6]	Wang F R, Huang J, Liu H J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zhen W G 2010 Acta Phys. Sin. 59 5122 (in Chinese) [王凤蕊, 黄进, 刘红婕, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2010 59 5122]
[7]	Skuja L 1998 J. Non-Cryst. Solids 239 16
[8]	Skuja L 2001 Proc. SPIE 4347 155
[9]	Weeks R A 1956 J. Appl. Phys. 27 1376
[10]	Griscom D L, Friebele E J 1986 Phys. Rev. B 34 7524
[11]	Lu Z Y, Nicklaw C J, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pantelides S T 2002 Phys. Rev. Lett. 89 285505
[12]	Devine R A B, Arndt J 1989 Phys. Rev. B 39 5312
[13]	Radzig V A, Bagratashvili V N, Tsypina S I Chernov P V, Rybaltovskii A O 1995 J. Phys. Chem. 99 6640
[14]	Sempolinski D R, Seward T P, Smith C, Borrelli N, Rosplock C 1996 J. Non-Cryst. Solids 203 69
[15]	Shimbo M, Nakajima T, Tsuji N, Kakuno T, Obara T 1999 J. Appl. Phys. 38 L848
[16]	Oto M, Kikugawa S, Miura T, Hirano M, Hosono H 2004 J. Non-Cryst. Solids 349 133
[17]	Hosono H, Abe Y, Imagawa H, Imai H, Arai K 1991 Phys. Rev. B 44 12043
[18]	Imai H, Arai K, Hosono H, Abe Y, Arai T, Imagawa H 1991 Phys. Rev. B 44 4812
[19]	Stone J 1987 J. Lightwave Technol. 5 712
[20]	Schmidt B C, Holtz F M, Beny J M 1998 J. Non-Cryst. Solids 240 91
[21]	Ikuta Y, Kajihara K, Hirano M, Hosono H 2004 Appl. Opt. 43 2332
[22]	Yokozawa A, Miyamoto Y 1997 Phys. Rev. B 55 13783
[23]	BlochlP E 2000 Phys. Rev. B 62 6158
[24]	Godet J, Pasquarello A 2005 Microelectr. Engineer. 80 288
[25]	Pacchioni G, Ferrario R 1998 Phys. Rev. B 58 6090
[26]	Giordano L, Sushko P V, Pacchioni G, Shluger A L 2007 Phys. Rev. B 75 024109
[27]	Donadio D, Bernasconi M, Boero M 2001 Phys. Rev. Lett. 87 195504
[28]	Sarnthein J, Pasquarello A, Car R 1995 Phys. Rev. B 52 12690
[29]	Munetoh S, Motooka T, Moriguchib K, Shintani A 2007 Comput. Mater. Sci. 39 334
[30]	Johnson P A V, Wright A C, Sinclair R N 1983 J. Non-Cryst. Solids 58 109
[31]	Dupree R, Pettifer R F 1991 Nature 308 523
[32]	Paier J, Marsman M, Hummer K, Kresse G, Gerber I C, Angyan J G 2006 J. Chem. Phys. 125 249901
[33]	Deák P, Aradi B, Frauenheim T, Janzén E, Gali A 2010 Phys. Rev. B 81 153203
[34]	Martin-Samos L, Bussi G, Ruini A, Molinari E 2010 Phys. Rev. B 81 081202

[1]	刘俊岭, 柏于杰, 徐宁, 张勤芳. GaS/Mg(OH)₂异质结电子结构的第一性原理研究. , 2024, 73(13): 137103. doi: 10.7498/aps.73.20231979
[2]	李发云, 杨志雄, 程雪, 甄丽营, 欧阳方平. 单层缺陷碲烯电子结构与光学性质的第一性原理研究. , 2021, 70(16): 166301. doi: 10.7498/aps.70.20210271
[3]	丁超, 李卫, 刘菊燕, 王琳琳, 蔡云, 潘沛锋. Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析. , 2018, 67(21): 213102. doi: 10.7498/aps.67.20181228
[4]	吴若熙, 刘代俊, 于洋, 杨涛. CaS电子结构和热力学性质的第一性原理计算. , 2016, 65(2): 027101. doi: 10.7498/aps.65.027101
[5]	苏锐, 张红, 姜胜利, 陈军, 韩伟. 熔石英中过氧缺陷及中性氧空位缺陷的几何结构、电子结构和吸收光谱的准粒子计算. , 2016, 65(2): 027801. doi: 10.7498/aps.65.027801
[6]	徐晶, 梁家青, 李红萍, 李长生, 刘孝娟, 孟健. Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究. , 2015, 64(20): 207101. doi: 10.7498/aps.64.207101
[7]	骆最芬, 岑伟富, 范梦慧, 汤家俊, 赵宇军. BiTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究. , 2015, 64(14): 147102. doi: 10.7498/aps.64.147102
[8]	程和平, 但加坤, 黄智蒙, 彭辉, 陈光华. 黑索金电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2013, 62(16): 163102. doi: 10.7498/aps.62.163102
[9]	黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究. , 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
[10]	周平, 王新强, 周木, 夏川茴, 史玲娜, 胡成华. 第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质. , 2013, 62(8): 087104. doi: 10.7498/aps.62.087104
[11]	吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究. , 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103
[12]	马丽莎, 张前程, 程琳. Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算. , 2013, 62(18): 187101. doi: 10.7498/aps.62.187101
[13]	宋庆功, 刘立伟, 赵辉, 严慧羽, 杜全国. YFeO3的电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2012, 61(10): 107102. doi: 10.7498/aps.61.107102
[14]	文黎巍, 王玉梅, 裴慧霞, 丁俊. Sb系half-Heusler合金磁性及电子结构的第一性原理研究. , 2011, 60(4): 047110. doi: 10.7498/aps.60.047110
[15]	刘建军. (Zn,Al)O电子结构第一性原理计算及电导率的分析. , 2011, 60(3): 037102. doi: 10.7498/aps.60.037102
[16]	于大龙, 陈玉红, 曹一杰, 张材荣. Li2NH晶体结构建模和电子结构的第一性原理研究. , 2010, 59(3): 1991-1996. doi: 10.7498/aps.59.1991
[17]	宋久旭, 杨银堂, 刘红霞, 张志勇. 掺氮碳化硅纳米管电子结构的第一性原理研究. , 2009, 58(7): 4883-4887. doi: 10.7498/aps.58.4883
[18]	倪建刚, 刘诺, 杨果来, 张曦. 第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构. , 2008, 57(7): 4434-4440. doi: 10.7498/aps.57.4434
[19]	潘志军, 张澜庭, 吴建生. 掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究. , 2005, 54(11): 5308-5313. doi: 10.7498/aps.54.5308
[20]	潘志军, 张澜庭, 吴建生. CoSi电子结构第一性原理研究. , 2005, 54(1): 328-332. doi: 10.7498/aps.54.328

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