Статистическое моделирование структуры и спектров редкоземельных центров в стекле

• Автор: Акулов, Александр Константинович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 186 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЗОР. СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ И СПЕКТРЫ
АКТИВАТОРНЫХ РЗ ЦЕНТРОВ В СТЕКЛЕ
1.1. Общие представления о спектрах материалов, активированных РЗ ионами
1.2. Спектры стекол, активированных ионами УЬ3+.
Обзор экспериментальных данных
1.3. Обзор моделей РЗ центров в стекле
1.3.1. Модели, основанные на определенных конфигурациях
РЗ центров
1.3.2. Модель стохастически искаженных полиэдров
1.3.3. Неупорядоченная плотнейшая упаковка (НПУ) шаров
1.3.4. Модели, построенные методами молекулярной динамики
и Монте-Карло
1.4. Постановка задачи исследования
Глава 2. МЕТОДИКА
2.1. Расчет штарковской структуры спектров РЗ ионов
2.1.1. Параметры внутреннего поля и их инварианты
2.1.2. Модели внутреннего поля
2.2. Анализ структуры моделей
Глава 3. КЛАСТЕРНЫЕ МОДЕЛИ, ПОСТРОЕННЫЕ
МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
3.1. Алгоритм построения моделей
3.2. Конфигурации, полученные при нулевой температуре
3.3. Влияние степени беспорядка на инварианты поля лигандов
3.4. Зависимость усреднённых значений инвариантов поля лигандов от координационного числа
3.5. Расчет спектров. Сравнение с экспериментом

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ НЕУПОРЯДОЧЕННОЙ
ПЛОТНЕЙШЕЙ УПАКОВКИ (НПУ) ТВЕРДЫХ СФЕР
4.1 Алгоритм построения модели. Структурные
характеристики
4.2. Спектры центров Еи3+
4.3. Спектры центров УЬ$+
Глава 5. ПРОТЯЖЕННЫЕ МОДЕЛИ, ПОСТРОЕННЫЕ
МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
5.1. Методика построения и анализа моделей
5.2. Структура моделей силикатных стекол, активированных ионами УЬ3+
5.2.1. Стёкла с переменным содержанием
модификатора (ИагО)
5.2.2. Стёкла с разными модификаторами

5.2.3. Корелляция расположения атомов вокруг ионов УЬ
5.3. Моделирование спектров силикатных стекол, активированных ионами У1)3+
5.3.1. Зависимость спектров от химического состава стекла
5.3.2. Характеристики групп иттербиевых центров
с фиксированным координационным числом
5.3.3. Характеристики моделей, построенных на основе
потенциала со степенным отталкиванием
Глава 6. СРАВНЕНИЕ ИССЛЕДОВАВШИХСЯ МОДЕЛЕЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЗ ЦЕНТРОВ В СТЕКЛЕ
6.1. Общие свойства всех изучавшихся моделей
6.2. Достоинства и недостатки отдельных моделей
6.3. Перспективы и предложения развития моделей
ЛИТЕРАТУРА
Приложение
ВВЕДЕНИЕ.
Стекла, активированные ионами РЗ элементов, являются важнейшим материалом современной квантовой электроники. Они служат основой для создания разнообразных типов лазеров, квантовых усилителей, визуализаторов ИК света, сенсорных датчиков и других приборов. Эти приборы широко применяются в медицине, дальнометрии, новых технологиях, военной технике, аппаратуре для научных исследований, причем круг их применений все время расширяется. Несмотря на важность активированных стекол для приложений их спектрально люминесцентные свойства до сих пор не получили объяснение в такой же степени, как свойства активированных кристаллов. Причина этого заключается в особенностях структуры стекол.
В принципе ясно, что уровни РЗ иона в стекле испытывают щтарковские расщепления по тем же физическим механизмам, что и в случае кристалла. Однако наиболее эффективные методы анализа этих расщеплений, разработанные для кристаллов, не годятся для стекол, так как базируются на использовании симметрии структуры центров, которая у стекол отсутствует. Для анализа спектров стекол должны разрабатываться новые методы, которые могут быть отнесены к арсеналу методов физики неупорядоченных систем. Таким образом, интерпретация штарковской структуры спектров активированных стекол и прогнозирование зависимости этой структуры от химического состава являются нерешенными проблемами физики стекла и спектроскопии. На решение этих проблем и направлена настоящая работа.
Так как специфика спектра РЗ иона в конкретном материале определяется воздействием со стороны матрицы и в первую очередь воздействием ближайшего окружения, основой для интерпретации на микроскопическом уровне спектрально-люминесцентных свойств

личине и направлению. Обычно величина временного шага на два порядка меньше величины тепловых колебаний и составляет ~ 10~14с. Потом новые координаты атомов записываются на месте старых, и делается следующий временной шаг. В результате многократных повторений получается ансамбля, близкий к равновесному. Затем наступает следующий этап: атомам приписываются величины скоростей, соответствующие более низкой температуре, после чего производится еще одна серия временных шагов. После ряда таких понижений температура достигает комнатной, и полученная модель рассматривается как модель стекла.
Обычно модель содержит порядка 100 - 1000 частиц, а число временных шагов не больше 104.
Метод Монте-Карло был предложен в работе [62], в которой был применен для двумерной модели жестких сфер и позже был распространен на другие области [63,64]. К исследованию стекол, активированных РЗ ионами, метод Монте-Карло впервые был применен Броуэром и Вебером в 1980 году [1,2].
Остановимся подробнее на этом методе потому, что мы его использовали в своей работе.
Суть метода Монте-Карло в следующем. Так же, как и в методе молекулярной динамики расчет начинается с того, что каждому атому внутри кубической ячейки приписываются определенные координаты. Затем выбирается один из атомов, и производится на так называемый "пробный сдвиг" этого атома. Сдвиг случаен по величине и направлению. Полученные в результате его новые координаты атома могут быть приняты или отвергнуты в зависимости от того, понижается или возрастает потенциальная энергия системы, вычисляемая по выбранному для расчетов потенциалу взаимодействия. Если энергия понижается, то сдвиг принимается безусловно; если растет, то вычисляется величина = ехр(-ДЕ/кТ) (1.4),