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目前,虽然冲击波实验中常常采用LiF晶体和Al2O3晶体作为窗口材料,但是冲击波实验的发展需要探究新的窗口材料。因此,本文运用Materials Studio5.0下的CASTEP软件计算了冲击压缩下金刚石和氧化锆的电子结构和光学性质。
本文一共分为五章,第一章讲述研究的背景及意义、研究的现状、有待解决的问题以及本文的研究思路;第二章介绍第一性原理计算方法的理论基础和所运用的相关软件;第三章运用第一性原理的方法计算了255 GPa冲击压力下金刚石理想晶体和含空位点缺陷晶体的电子结构和光学性质,并分析其计算结果;第四章运用第一性原理的方法计算了95 GPa冲击压力范围内氧化锆两种相结构的电子结构和光学性质,并分析其计算结果;第五章为全文的总结和展望。
本文的主要工作和结论:
(1)采用CASTEP软件计算了金刚石理想晶体和含空位点缺陷晶体在255 GPa的冲击压力下的电子结构和光学性质,结果展示:在255 GPa的冲击压力下,冲击诱导的压力和温度不会对金刚石在可见光区的光学透明性产生影响;冲击诱导的空位点缺陷的存在使得金刚石能隙中出现了缺陷电子态,在可见光区的390-570nm范围内产生了一定的光吸收,金刚石在该波段的光学透明性降低,但在可见光区的高波段,金刚石却仍保持良好的透明性。空位点缺陷的存在对反射谱和能量损失谱的影响相似,谱主峰均向短波方向微移,且峰值强度都略有降低。
(2)采用CASTEP软件计算了95 GPa冲击压力范围内氧化锆晶体的电子结构和光学性质,结果展示:冲击压力增大导致立方相氧化锆的光学吸收蓝移,但会引起斜方Ⅱ相氧化锆光学吸收边红移,无论是立方相还是斜方Ⅱ相氧化锆,折射率都随冲击压力的增大而增大;氧化钙的掺入导致立方氧化锆带隙变窄(吸收边红移)却使得斜方Ⅱ氧化锆能隙变宽(吸收边蓝移),两种结构相的折射率均减小,反射峰和能量损失谱的峰值降低,并向长波方向移动;当氧化锆从立方结构转变为斜方Ⅱ结构时,吸收边红移,折射率明显增大,反射峰和能量损失谱向长波方向移动。在95 GPa冲击压力范围内,氧化锆在可见光范围内保持透明。本文数据建议:掺氧化钙的立方氧化锆在95 GPa的冲击压力范围内可作为窗口材料。
本文的计算结果为冲击波实验提供理论参考。