電子状態解析に基づいたランガサイト系新規圧電結晶の量子材料設計

基于电子结构分析的新型硅酸锰矿基压电晶体量子材料设计

基本信息

批准号：
17760549
负责人：
北浦守
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Fukui National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

圧電結晶ランガサイトとその関連化合物であるランガテートおよびランガナイトの電子状態を吸収・反射・光電子などの分光学的手法により調べた。3つのサンプルの吸収スペクトルは大きく異なっていた。これは、サンプル作製時に導入された格子欠陥や不純物による着色に起因する。透明領域における反射スペクトルには裏面反射や散乱による付加的な構造が現れていたが、基礎吸収端以上のエネルギー領域では良く似た構造を示した。これは、3つのサンプルの電子状態がよく似ていることを示唆する。実際に、光電子スペクトルの結果もよく似ており、電子状態の類似性を強く支持する。また、バンドギャップエネルギーは、スペクトル構造から、ランガサイトが6.6eV、ランガテートが6.9eV、ランガナイトが6.6eVであると推定した。実験結果をより詳しく解析するために、DV-Xa法による電子状態計算を行った。3つのサンプルの基礎吸収が酸素の2p軌道からランタンの5d軌道への遷移によって生じていることが判明した。計算から求めたバンドギャップエネルギーは、実験と比較的近い値をとることがわかった。各元素の真電荷を解析した結果、ランガテートとランガナイトはランガサイトよりも、(1)ランタンを含む面内のイオン結合性が強い、(2)それを挟む面内の共有結合性が弱い、ことが明らかになった。従って、新規圧電性結晶の開発には、置換によるイオン性と共有性の制御が重要であり、ランタンを含む面内のイオン性増加が一つの鍵となることが明らかになった。計算で実験結果を正確に再現するためには,クラスタの選択以外に各原子の井戸半径をうまく設定しなければならず,現状では経験的知識に頼らざるを得ないことが判明した。

使用光谱技术（例如吸收，反射和光电子）研究了压电晶体链酸的电子状态及其相关化合物，链酸和兰加尼岩的电子态。这三个样品的吸收光谱非常不同。这是由于样品制备过程中引入的晶格缺陷和杂质引起的着色。由于背面反射和散射引起的其他结构出现在透明区域的反射光谱中，但它们在基础吸收边缘上方的能量区域显示出非常相似的结构。这表明这三个样本的电子状态非常相似。实际上，光电子光谱结果也非常相似，强烈支持电子状态的相似性。此外，从光谱结构来看，兰格酸盐的带隙能估计为6.6 eV，链酸的6.9 eV，兰吉替石为6.6 eV。为了进一步分析实验结果，使用DV-XA方法进行了电子状态计算。发现这三个样品的基础吸收是由从2p轨道轨道向5d轨道的灯笼轨道的过渡引起的。发现从计算中获得的带隙能相对接近实验。对每个元素的真实电荷的分析表明，（1）兰格酸盐和兰加石在平面上具有更强的离子键，包括灯笼，以及（2）夹层它们的平面中的共价粘合较弱。因此，已经揭示了通过取代控制离子性和协价在新的压电晶体的发展中很重要，并且包括灯笼在内的平面中增加的离子性是一个关键。为了准确地重现计算中的实验结果，已经发现，除了选择簇外，还必须设置每个原子的井半径，目前有必要依靠经验知识。