稀土发光的第一性原理研究摘要：稀土发光材料在生物检测技术、照明、固体激光等领域具有好的应用前景，故掺杂Ce3+离子发光材料得到广泛的关注，且在实验和理论研究领域备受青睐。在此详细介绍了对电荷补偿的Ce3+离子掺杂光学材料进行的第一性原理计算研究工作。本文从介绍稀土知识及其研究工作的背景，并且介绍了密度泛函理论和基本计算软件，最后详细地给出了稀土发光的第一性原理计算的工作。关键词：第一性原理；NaF：Ce3+离子；4f5d跃迁；电荷补偿；First-PrinciplesStudyonRareEarthLuminescenceAbstract：Rareearthluminescencehaswideapplicationsinbiologicaldetectiontechnology,lighting,solidlaser,andsoon.Ce-dopedluminescentmaterialshavereceivedintensiveattentionbyexperimentalandtheoreticalresearchers.Wehavepresentedfirst-principlesinvestigationsforcerium-dopedluminescentmaterialswithlocalchargecompensators.Thisthesisfirstintroducestheknowledgeofrareearthanditsbackground.Thenthedensityfunctionaltheoryandthecomputationalprogramsarebrieflydescribed.Finallyfirst-principlesresultsonCe-dopedNaFcrystalarepresentedindetail.Keywords:first-principles;NaF;Ce3+ion;4f5dtransitions;chargecompensation;1、绪论1.1、稀土相关知识背景依据稀土元素的原子电子层结构及物理化学性质，元素周期表中的原子序数为57到71的15种镧系元素，与镧系元素相关化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，这十七种稀土元素通常分为二组：HYPERLINK"http://baike.baidu.com/picture/89624/89624/190911/a84052083fafa4f00b7b8234.html?fr=lemma&ct=cover"\o"稀土及材料"\t"_blank"轻稀土：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)重稀土：铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)钪(Sc)。因为钪(Sc)和钇(Y)出现在镧系元素矿石中比较频繁，且和镧系元素有很多相似的化学性质特征，所以将其包含在内[1]。一般情况下5d轨道是空的，它们表现出丰富的光、磁、电、催化等性质就是其独特的4f电子的分布。稀土材料优异的性能备受瞩目，从而被称为“希望之土”[2]1.2、Ce3+离子铈元素(Ce)在地壳中是含量最丰富的稀土元素，Ce的电子结构是[Xe]4f15d16s2，Ce3+的电子结构是[Xe]4f1。Ce3+离子上4f电子受激发后到5d态，从5d又跃迁到4f态时导致发光。因为5d轨道不是像4f轨道那样被屏蔽在轨道内层，是位于5s5p之外，使得5d能级的高低和其所处晶体场有密切关系，所以造成在不同的基质中Ce3+的发光性能不同。Ce3+离子于不同基质中发射的谱峰从紫外直到可见，其覆盖范围超过20000cm−1[3]，具备其它三价稀土离子所不能及的辐射[4]范围，此外Ce元素的提取简便价格低廉，因此对Ce的发光材料一直是很热的课题研究。1.3、背景与简介稀土离子发光材料在掺杂后会改变基质材料的晶体结构。电荷补偿缺陷会加剧改变晶体发光中心周围局域的结构，影响了稀土发光材料的光谱性质。最典型结构体系模型，掺杂碱金属和碱土金属氟化物的Ce3+离子，三价的稀土离子占据碱金属离子格位，不同的晶体生长环境，其电荷补偿方式可以为填隙氟离子，O取代F，而对碱土金属氟化物来说，可以用碱金属氟化物共掺杂。因为同一种电荷补偿途径能够有多种补偿缺陷，所以给实验光谱的说明和新材料性能的预测带来了困难。本工作对具代表性的NaF：Ce3+[4]体系进行了计算研究。1.4、本文内容概要本文共分三章:第一章简单介绍了稀土相关知识及其研究的背景;第二章给出了本工作所用到的理论计算方法和计算程序；第三章介绍了用密度泛函理论和基于波函数的内嵌团簇