高压下CaO和KMgF3晶体光学性质和弹性性质研究

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非透明样品的冲击测温实验需要用到透明且冲击阻抗与之匹配的窗口材料来进行辅助测量(冲击阻抗Z=ρ*D,ρ为初始密度,D为冲击波速度)。从目前来看,常用窗口材料(单晶LiF和Al2O3)所能提供的阻抗值有限且不连续。因此,为更好地适配具有不同冲击阻抗且阻抗值介于LiF和Al2O3之间的实验样品,还需不断探索新的透明窗口。并且,考虑到直接通过实验从众多材料中探索新的冲击窗口,成本高昂、耗时耗力。因此,本文将通过理论计算的方式初步筛选出潜在窗口材料,为进一步实验探究做准备。基于上述,本文采用第一性原理的方法计算了CaO和KMgF3晶体的高压透明性,并将压力、结构相变和空位点缺陷等冲击压缩可能产生的影响因素考虑进去,以此来探究它们是否具有成为动态物性实验中光学窗口的潜力。同时,还计算了其折射率和弹性性质等数据在高压下的变化情况,以便为今后的科学研究提供一定的理论支持。计算结果如下:(1)CaO晶体的光吸收性质数据显示:120 GPa高压范围内,压力、结构相变以及缺陷等均会使其吸收边红移,但始终未红移至可见光波段内,说明该晶体可能具备良好的高压透明性。其折射率数据在532 nm和1550 nm处显示:压力、相变及氧空位缺陷均会增大CaO晶体的折射率,而钙空位会使其折射率略有降低,但压力引起的缺陷浓度增加会进一步导致其折射率增大。高压弹性性质数据表明:CaO晶体在120 GPa范围内存在的结构相(B1相和B2相)均是热力学稳定的;且压力和结构相变会使得CaO晶体除泊松比外的弹性数值增大;此外,空位点缺陷及其浓度的变化对CaO晶体的弹性性质也具有一定影响。(2)通过KMgF3晶体吸收谱的计算数据可知:在100 GPa高压范围内,其吸收边受压力因素的影响而发生蓝移(即透明波段变宽),但由于空位点缺陷的影响却出现红移,其中氟空位造成的影响最是明显,但其吸收边并未因此红移至可见光区域。折射率(532 nm和1550 nm处)计算结果表明:随着所施加压力的不断增大,KMgF3晶体的折射率数值会逐渐增加;钾空位和镁空位的存在会使得其折射率微弱降低,但氟空位则会使其折射率升高。高压弹性性质计算结果为:KMgF3理想晶体的弹性常数和弹性模量均随压力的增大而增大,并且通过稳定性判据得出:KMgF3晶体在100 GPa的高压范围内保持热力学稳定。而空位点缺陷的存在会使其弹性性质有所变化,但影响不大。上述结果表明,CaO和KMgF3晶体有潜力成为冲击波实验的候选光学窗口,推荐对其进一步实验探究。
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