【摘 要】
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蓝宝石(Al2O 3晶体)是一种重要的陶瓷材料,在高压科学领域中具有广泛的应用。例如,在冲击波实验中,它常被用作光学窗口。因此,获得冲击压缩下蓝宝石透明性变化规律的信息对于正
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蓝宝石(Al2O 3晶体)是一种重要的陶瓷材料,在高压科学领域中具有广泛的应用。例如,在冲击波实验中,它常被用作光学窗口。因此,获得冲击压缩下蓝宝石透明性变化规律的信息对于正确解读这些实验数据至关重要。常态下,蓝宝石具有极好的光学透明性,但在冲击状态下,其透明性显著降低。对于这个冲击消光行为,人们已开展了大量的实验和理论探究,但多数是基于某个晶向蓝宝石材料来实施的。实际上,蓝宝石冲击消光的晶向相关性也值得探讨,因为实验研究者需要知道什么晶向的Al2O 3晶体冲击透明性相对最好(作为光学窗口效果最佳)。另外,虽然Al2O 3和LiF晶体在目前的动高压实验中常被用作光学窗口,但是人们也在积极寻找一些新的冲击窗口材料。综上所述,本文研究的内容及结论如下:(1)对八种晶向(a、m、g、s、n、r、d和c晶向)蓝宝石理想晶体和含氧空位点缺陷晶体在高压段(131-255 GPa)的光吸收性质实施了第一性原理计算。结果显示:1)蓝宝石在高压段的冲击消光存在明显的晶向相关性,且随着压力的加大该效应还会增强;2)冲击诱导的+2价氧离子空位点缺陷不仅对解释蓝宝石冲击透明性损伤现象有重要作用,而且对于揭示其冲击消光的晶向效应也可能有重要影响;3)进一步分析这些晶向效应还可以看出,在冲击实验采用的波长范围内(250-1000 nm),a晶向的消光性最弱(透明性最好),c晶向的消光性最强(透明性最差),s晶向的消光性介于它们两者之间,m晶向的消光性与a晶向的相似,n、r、d晶向的消光性与c晶向的类似,s晶向的消光性比g晶向的强。所以,我们建议选择a晶向或m晶向的蓝宝石晶体来做上述压力区实验的光学窗口。(2)为了探究钇铝石榴石(YAG)晶体能否成为一种冲击窗口材料,基于第一性原理方法,计算了120 GPa压力范围内YAG理想晶体和含氧空位点缺陷晶体的光学性质。1)吸收谱数据表明:在120 GPa压力范围内YAG理想晶体和含+2价氧离子空位(形成能最低)的缺陷晶体在可见光范围内不存在光吸收(保持透明);2)532 nm处的折射率数据显示:在20 GPa以内,YAG晶体折射率随压力的增加而降低;在20 GPa以上,其折射率随压力的增加而逐渐升高。另外,氧空位点缺陷使其折射率明显减小;3)反射谱数据指明:压力的加载将导致YAG晶体反射谱峰强度降低。同时,氧空位点缺陷引起这些谱峰强度进一步减弱;4)能量损失谱数据表明:压力的加载还将导致YAG晶体能量损失谱峰强度减小。同时,氧空位点缺陷使其谱峰强度进一步减弱。分析上述结论发现,钇铝石榴石晶体有望成为一种冲击窗口材料,而且本文所获得的数据可能会为未来的实验研究提供一些有用的指导。
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