钽铌酸钾钠(001)表面吸附特性的第一性原理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qunli19890523
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钽铌酸钾钠(KNTN)晶体电光性能优异,较目前主流的电控全息晶体钽铌酸钾锂(KLTN)有着容易制备、光学质量高等优势,在制备电控全息光器件方面有着很好的前景。晶体的表面性质往往对其整体性能有很大作用,小分子吸附在材料的表面会影响材料的表面结构、电学、光学等方面的性质,进而对基于该材料的器件性能造成影响。第一性原理是计算晶体物理化学性质的有效手段,可用来计算晶体体块、表面的几何形态、电子结构、光学性质等诸多性质。本文围绕小分子与KNTN表面的相互作用展开研究,以目前广泛使用的第一性原理作为研究手段,探讨小分子吸附对KNTN表面形态、电学及光学性质的影响。首先,参考前人研究工作及实验结果,建立了清洁KNTN(001)表面模型。通过几何结构优化,使所得表面模型能量达到最低,更接近真实结构。基于优化所得KNTN表面,计算了KNTN表面的表面能、能带结构、态密度等性质,与KNTN体块性质进行比较,讨论了二者差异的原因。计算结果与文献中报道的数值相符,验证了计算的可信性。然后研究水分子吸附对KNTN表面性质的影响。结果表明单个水分子更倾向于吸附在KNTN(001)表面K(Na)O端的K-Na桥位和Nb(Ta)O2端的Nb顶位。对水分子在KNTN表面的成键及态密度耦合情况同样进行了计算。随着水分子覆盖度的增加,吸附体系价带顶逐渐向低能方向移动,整个体系的带隙随之递增。计算得到KNTN表面的吸收峰和折射峰整体随水分子覆盖度增加逐渐蓝移,当入射波长大于350nm时,吸附水分子数量越多,体系的折射率越小。最后对CO2分子在KNTN表面的吸附性质进行了计算。单CO2分子吸附KNTN(001)表面K(Na)O端和Nb(Ta)O2端的最佳吸附位分别为O-Na桥位和O顶位。吸附后CO2分子结构发生弯折,降低了CO2分子的热学稳定性。由于电子密度的重新分布,吸附后KNTN表面的禁带宽度明显增加。当CO2分子覆盖度在0~2ML范围时,吸附体系价带顶随覆盖度逐渐向低能方向移动,其吸收峰和折射峰也发生蓝移。当入射波长大于350nm时,KNTN表面折射率随覆盖度增加而递减,其幅度明显大于水分子吸附引起的折射率变化。结果表明KNTN表面的电子结构和光学性质对CO2分子的吸附十分敏感,这对其在二氧化碳气体探测应用方面的研究具有一定的意义。
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