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1、稀土發(fā)光的第一性原理研究摘要：稀土發(fā)光材料在生物檢測技術、照明、固體激光等領域具有好的應用前景，故摻雜Ce3+離子發(fā)光材料得到廣泛的關注，且在實驗和理論研究領域備受青睞。在此詳細介紹了對電荷補償?shù)腃e3+離子摻雜光學材料進行的第一性原理計算研究工作。本文從介紹稀土知識及其研究工作的背景，并且介紹了密度泛函理論和基本計算軟件，最后詳細地給出了稀土發(fā)光的第一性原理計算的工作。關鍵詞：第一性原理；NaF：Ce3+離子；4f?5d躍遷；電荷補償；First-PrinciplesStudyonRareEarthLumin
2、escenceAbstract：Rareearthluminescencehaswideapplicationsinbiologicaldetectiontechnology,lighting,solidlaser,andsoon.Ce-dopedluminescentmaterialshavereceivedintensiveattentionbyexperimentalandtheoreticalresearchers.Wehavepresented?rst-principlesinvestigations
3、forcerium-dopedluminescentmaterialswithlocalchargecompensators.Thisthesisfirstintroducestheknowledgeofrareearthanditsbackground.Thenthedensityfunctionaltheoryandthecomputationalprogramsarebrieflydescribed.Finally?rst-principlesresultsonCe-dopedNaFcrystalarep
4、resentedindetail.Keywords:first-principles;NaF;Ce3+ion;4f?5dtransitions;chargecompensation;161、緒論1.1、稀土相關知識背景依據(jù)稀土元素的原子電子層結構及物理化學性質，元素周期表中的原子序數(shù)為57到71的15種鑭系元素，與鑭系元素相關化學性質相似的鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，這十七種稀土元素通常分為二組：輕稀土：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)重稀土：
5、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)鈧(Sc)。因為鈧(Sc)和釔(Y)出現(xiàn)在鑭系元素礦石中比較頻繁，且和鑭系元素有很多相似的化學性質特征，所以將其包含在內[1]。一般情況下5d軌道是空的，它們表現(xiàn)出豐富的光、磁、電、催化等性質就是其獨特的4f電子的分布。稀土材料優(yōu)異的性能備受矚目，從而被稱為“希望之土”[2]1.2、Ce3+離子鈰元素(Ce)在地殼中是含量最豐富的稀土元素，Ce的電子結構是[Xe]4f15d16s2，Ce3+的電子結構是[Xe]4f1。Ce3+離子
6、上4f電子受激發(fā)后到5d態(tài)，從5d又躍遷到4f態(tài)時導致發(fā)光。因為5d軌道不是像4f軌道那樣被屏蔽在軌道內層，是位于5s5p之外，使得5d能級的高低和其所處晶體場有密切關系，所以造成在不同的基質中Ce3+的發(fā)光性能不同。Ce3+離子于不同基質中發(fā)射的譜峰從紫外直到可見，其覆蓋范圍超過20000cm?1[3]，具備其它三價稀土離子所不能及的輻射[4]范圍，此外Ce元素的提取簡便價格低廉，因此對Ce的發(fā)光材料一直是很熱的課題研究。1.3、背景與簡介稀土離子發(fā)光材料在摻雜后會改變基質材料的晶體結構。電荷補償缺陷會加劇改
7、變晶體發(fā)光中心周圍局域的結構，影響了稀土發(fā)光材料的光譜性質。最典型結構體系模型，摻雜堿金屬和堿土金屬氟化物的Ce3+離子，三價的稀土離子占據(jù)堿金屬離子格位，不同的晶體生長環(huán)境，其電荷補償方式可以為填隙氟離子，O取代F，而對堿土金屬氟化物來說，可以用堿金屬氟化物共摻雜。因為同一種電荷補償途徑能夠有多種補償缺陷，所以給實驗光譜的說明和新材料性能的預測帶來了困難。本工作對具代表性的NaF：Ce3+[4]體系進行了計算研究。161.4、本文內容概要本文共分三章:第一章簡單介紹了稀土相關知識及其研究的背景;第二章給出了本
8、工作所用到的理論計算方法和計算程序；第三章介紹了用密度泛函理論和基于波函數(shù)的內嵌團簇計算方法分別研究了摻雜Ce的NaF的結構性質與4f→5d光譜的性質。2、基本理論方法與應用軟件第一性原理方法又稱從頭算方法，根據(jù)原子核和電子相互作用及其基本運動規(guī)律并且結合對構成微觀粒子的體系的基本量子力學原理，根據(jù)具體要求，在不引入任何的經(jīng)驗參數(shù)情形下，采用一些近似方法處理多原子體系，以求解薛定諤方程
