钛蓝宝石的第一性原理研究：离子对的团聚，光跃迁性质和消除方法

【作者】 景伟国； 尹民； 段昌奎；

【机构】 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心； 中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室&物理学院； 中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院；

【摘要】 钛蓝宝石激光器是一种重要的宽频谱可调谐固体激光器,然而它的性能受到了位于其工作区域的红外残余吸收的限制。尽管前人对该残余吸收的产生机理和消除方式进行了数十年的理论与实验研究,目前仍然没有一个有效的合成工艺能够彻底消除它。围绕这一问题,本工作内容主要有（1）阐明了前人工作中不合理的Ti离子对(Ti³⁺-Ti³⁺和Ti³⁺-Ti⁴⁺)强团聚倾向源自于所采用的密度泛函对Ti的d电子存在着非局域效应,而这一效应可以通过Habbard U方法或者杂化密度泛函来修正。（2）Ti³⁺-Ti⁴⁺基态的几何结构以及d电子的密度分布依赖于密度泛函的选取,存在着d电子局域在一个Ti离子上和平均分布在两个Ti离子上的情况。这两种构型在不同密度泛函下能量差别很小（<0.1 eV）,且他们的能谱均能解释红外残余吸收。（3）结合最新的关于钛蓝宝石吸收谱的实验,我们系统地给出了从近紫外到远红外的系列吸收峰的发光机理。（4）获得了该材料中各种潜在杂质相对浓度随退火温度,还原氛围以及Ti掺杂浓度的变化情况。在氧化和弱还原环境下,缺陷铝空位制约了Ti³⁺-Ti⁴⁺浓度的降低,因此,除了传统的高温强还原氛围退火处理,铝单质注入或者在铝蒸汽中充分退火来消除铝空位是可能的进一步消除残余吸收的方法。（5）给出了一个简单的预测钛蓝宝石品质因子上限的数值公式。更多还原