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SrB4O7和PbB4O7具有相同的对称性,属于正交晶系。本文采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,在局域密度近似(LDA)和广义梯度(GGA)近似下,计算了PbB4O7和SrB4O7晶体的电子能带结构、态密度、分波态密度、电荷密度;之后利用Material Studio软件包研究了SrB4O7晶体布里渊区中心r点的声子频率,分析了Γ点振动模的对称性,并与PbB4O7晶体的声子谱进行了比较分析。主要内容包括:
⑴通过分析PBO和SBO晶体的电子能带结构我们发现:两种晶体都是很好的绝缘体,属于间接带隙;在LDA-TM、LDA-FHI和GGA-FHI三种不同近似下,PBO晶体的带隙值分别为3.89eV、4.21eV、4.25eV,而SBO晶体带隙分别为6.64eV、7.47eV和7.22eV。SBO晶体的带隙高于PBO晶体,因此SBO晶体能够工作在更短的波长范围。相关的实验结果表明:PBO和SBO晶体短波方向的吸收边约为5.18eV和8.3eV,考虑到第一性原理方法本身的不足以及温度和杂质对测量的影响等因素,理论计算结果和实验吻合得很好。
⑵研究了两种晶体在LDA-TM赝势近似下的分波态密度,研究了不同原子轨道对总态密度的贡献。结果表明:两种晶体中,硼和氧原子对总态密度的贡献基本相同,位于一般位置的氧原子和O(4)原子对总态密度的贡献是稍有不同,这也说明了O(4)原子位置的特殊性;锶原子在-15到-10eV对总态密度有一个很大的尖峰作用,而Pb原子没有。PBO和SBO晶体的电荷密度计算结果表明,硼氧主要是以共价键方式结合,而金属原子和氧原子之间主要是离子键方式结合,体现了硼氧化合物的共性。
⑶通过分析比较结构优化前后,SBO晶体布里渊区中心点声子的频率发现:与同结构未经优化的计算结果相比,结构优化后声子的频率普遍偏高,最大的频率差值约为150 cm-1。主要是因为结构优化后,SBO晶体的晶格常数变小,原子间距离变小,原子间的相互作用增加。同PBO晶体的声子谱相比,由于Sr原子序数小,Sr原子参与的振动模频率较高,相应地与硼氧网络有关的振动模频率也增加。