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      超強激光科學卓越創新簡報

      (第二百零五期)

      2021年6月30日

      上海光機所在鈦寶石激光晶體近紫外和可見光區吸收特性的起源研究方面取得新進展

        近日,中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室在摻鈦α-Al2O3單晶在近紫外和可見光區存在的可疑吸收特性的起源方面取得了新進展。相關研究成果發表在《今日材料通訊》 (Materials Today Communications)。

        摻鈦α-Al2O3單晶(也稱鈦寶石)是一種十分重要的激光晶體材料,同時也是一類超強、超快和可調諧激光裝置中的核心關鍵材料。自從1982年鈦寶石的激光特性被報道以來,鈦寶石光學吸收帶中存在的一些可疑吸收現象的起源問題一直是人們關注和研究的重點內容之一。根據波長分布,這些可疑的吸收帶可以大致分為三個區域:峰值位于390 nm附近的近紫外吸收帶;存在多峰構型和小隆起的可見吸收帶;以及與激光發射帶重合的殘余紅外吸收帶。

        該研究團隊采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,通過對摻鈦α-Al2O3的晶體結構和其內可能存在的點缺陷類型的深入分析,較為全面地考查了單鈦摻雜模型(包含置換Ti3+和間隙Ti3+)和多種鈦離子對模型(包括Ti3+-Ti3+和Ti4+-Ti3+離子對模型)的電子和光學性質。對單鈦摻雜模型的研究表明,當間隙Ti3+附近存在Al空位時,間隙Ti3+將通過結構弛豫進入Al空位,最終形成與置換型Ti3+等價的缺陷,而置換型Ti3+離子與Al3+離子之間的電荷轉移則是產生近紫外吸收帶的主要原因,計算得到的吸收光譜與實驗光譜具有較高的一致性;對鈦離子對模型的研究則表明,線接觸型Ti3+-Ti3+、面接觸型Ti3+-Ti3+和點接觸型Ti4+-Ti3+離子對可能是導致可見吸收帶出現多峰構型和小隆起的主要原因。此外,該研究團隊還從配位場理論和熱激活的角度對可見吸收帶的多峰構型和小隆起給出了更全面的認識。

        該研究不僅揭示了摻鈦α-Al2O3單晶在近紫外和可見光區存在的可疑吸收特性的起源,同時也為類似的過渡族金屬離子摻雜剛玉結構氧化物的缺陷和性能研究提供了思路。

        該研究工作得到了中科院先導B、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委和中科院青促會的支持。(微納光電子功能材料實驗室供稿)

        原文鏈接

      Fig. 1. (a) Al2O3 超晶胞,(b) 間隙Ti3+、Al空位和置換Ti3+模型及其轉化過程,(c) 線接觸Ti3+-Ti3+離子對模型,(d) 面接觸Ti3+-Ti3+離子對模型,(e) 點接觸Ti4+-Ti3+離子對模型。

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