论文总字数：23767字

目 录

摘 要 - 2 -

Abstract

1 前言 - 4 -

1.1 研究背景

1.2 研究内容和意义

2 理论模型和计算方法

2.1 理论模型

2.2 计算方法

3 SiC在辐射场中的物理特性和光谱研究

3.1无电场情况下分子的稳定构型

3.2 外加电场对SiC分子的物理特性的影响

3.3 外加电场对SiC分子光谱的影响

4 GaN在辐射场中的物理特性和光谱研究

4.1无电场情况下分子的稳定构型

4.2 外加电场对GaN分子物理特性的影响

4.3 外加电场对GaN分子光谱的影响

5 ZnO在辐射场中的物理特性和光谱研究

5.1无电场情况下分子的稳定构型

5.2 外加电场对ZnO分子物理特性的影响

5.3 外加电场对ZnO分子光谱的影响

6 结论

参考文献

发表论文目录

致 谢

论文创新点

（1）结合第一性原理，利用高精度基组计算并系统研究了三种典型的陶瓷材料(碳化硅、氮化镓、氧化锌)在电场作用下的物理和光谱特性，分析了其电场对分子内部的振动和激发特性的影响。

（2）本文分析研究了碳化硅和氮化镓在外加电场的作用下由于分子构型的变化而引起的拉曼光谱活性的变化并具体分析了其活性随辐射场的变化趋势。

（3）为更深入了解辐射场对UV-VIS光谱的影响，本文选取研究了外电场下三种分子的前10个的激发态的激发能和吸收波长，分析其变化过程。

（4）通过对氧化锌分子体系的构型进行优化计算，本文加电场于分子的x轴方向区别于z轴沿Zn-O键连线方向。

（5）在研究辐射场对碳化硅和氧化锌的UV-VIS吸收光谱影响中，我们引入了λ_max，它是对物质进行光谱的定性分析的重要的物理参量，从而能更直观的得出其变化趋势。

陶瓷材料在辐射场作用下的物理特性和光谱特性研究

尹文怡

, China

Abstract：The study on the structural changes of molecules and atoms under the effect of radiation field is of great significance as the current one of the most popular fields. To study the external field effect is very important and it is helpful to understand the performance impact of molecular structure and the physical principles of molecular which has a certain application value. In this paper, the molecular structure and spectrum of ceramic materials (silicon carbide, gallium nitride, zinc oxide) under the radiation fields) is studied thoroughly as the main content .The theoretical calculation are conducted in the quantum chemistry calculation software Gaussian 09, based on the density functional theory DFT/B3LYP and DFT/BPV86 at 6-311 g(d, p) level. The ground states of these three kinds of molecular under different external electric fields are optimized. The influence of external electric field on the geometrical parameters, dipole moment, total energy, energy gap, Infrared spectrum, Raman spectrum, UV-VIS absorption spectrum intensity and the oscillator strength changes are studied. Then we draw graphs according to the change trend of the data and analysis the overall change of them. The results show that the change of molecular structure is obvious, and it becomes strongly dependent on the field strength. Last but not least, it provides a solid theoretical and factual basis for the research of the characteristics of molecules under different external fields.

Key words: ceramic materials; radiation field; spectrum; density function theory; optimized parameters

1 前言

1.1 研究背景

陶瓷类材料一般都是利用天然或者人工合成的化合物经过定型，并在高温条件下煅烧而形成的无机类材料。它是很好的器具制作材料，又是很好的功能材料。同时它具有很好的力学特性和光学特性以及热特性和电特性^[1]，主要表现在陶瓷材料是所有工程材料中刚度以及抗压性能最好的，这也是区别于其他的非金属材料的特征。此外，它的熔点较高且具有极好的隔热性。陶瓷材料具有高温抗氧化性、耐腐蚀性，同时其独特的光学特性也可应用于光的存储和再利用以及部分应用于激光的材料等，透明陶瓷则可用于高压钠灯管等^[2-3]。碳化硅，氮化镓，氧化锌都是具有研究意义的陶瓷材料。

SiC是一种抗火性质的材料，是由石英砂、煤、木头屑等材料在高温下冶制而形成 ^[4]。经研究，SiC陶瓷具有多种优点，如不易被氧化、热导率高、硬度高、化学稳定性好等^[5-6]。由于现在的科技进步迅猛，尤其在能源，空间技术，国防以及汽车和海洋工程等方面的迅速发展，材料在我们的科技运用中居于十分关键的位置。因此SiC作为一种宽禁带材料，最近几年在材料领域迅速发展起来，被广泛应用于航空航天，机械工业，电子等各个领域^[7]，地位不可小觑。

GaN材料也是一种宽带隙半导体材料，它具有原子键能强、热导率高、电离度高等性质，这些性质又是其他物质不都完全具有的。同时氮化镓也是性质特别稳定的化合物和坚硬的高熔点物质，因此又可用作保护物体表层的新型材料^[8-9]。目前以氮化镓为原材料的器材需求量日益增大，在新能源、智能电网、通讯设备、4C产业等许多领域都发展迅速^[10]，预计在未来会有更大的突破与进展。

ZnO是有着很好的导电和催化特性的直接带隙的宽禁带材料，同时它吸收紫外可见光的能力较强，从理论上来说可以实现其受激发射。同时它高熔点且热稳定和化学稳定性强，因此具备了作为温室短波长光电子材料的特征^[11-12]。由于ZnO原料易得、价格低廉、制备方法多样，可以适应各种不同的需求，从而使其在太阳能电池、表面声波、压电材料、气体及生物传感器等领域逐渐成为一种用途广泛并且极具开发潜力的薄膜式材料^[13]。

1.2 研究内容和意义

本论文核心内容是对每种典型材料(碳化硅，氮化镓，氧化锌)分别计算和分析。全文的理论模拟计算均在Gaussian 09^[14]中完成，通过不同基组计算得到三种分子的稳定构型，并与实验值进行比较，再选取最接近实验值所用的基组，按照该标准坐标优化计算出在各辐射场作用下它们的几何构型，能隙，红外以及拉曼(Raman)光谱的变化特征，并采用TDDFT方法计算最低25个激发态对应的吸收波长和谐振强度从而得到紫外-可见吸收(UV-VIS)光谱在辐射场作用下的变化情况，主要研究内容如下。

首先本文利用密度泛函理论，先将碳化硅的初始的构型在软件中构造出来，通过不同方法和基组对分子体系的构型进行优化计算，根据计算所得的构型结果与碳化硅的键长实验值进行对比，确定碳化硅要选取B3LYP/6-311G (d,p)基组，然后对在不同辐射场下碳化硅分子进行了几何构型和频率的计算，得到了碳化硅的能量、红外和拉曼(Raman)光谱。接着采用了TD-B3LYP的方法对物质的光谱进行激发计算从而得到它最低的25个电子的激发态的吸收波长和振子的谐振的强度，再根据对所得数据的处理得到了碳化硅键长、偶极矩、总能量、能隙变化图以及红外、拉曼(Raman)以及紫外-可见吸收(UV-VIS)光谱在辐射场作用下的变化特征。

其次，本文同样构造了氮化镓的初始构型，通过不同方法和基组对分子体系的构型进行优化计算，经对比确定使用B3LYP/6-311G (d,p)基组，接着在不同辐射场的作用下，对氮化镓分子进行了能量和频率的计算，得到了氮化镓分子能量、红外光谱和拉曼光谱随辐射场的变化规律。最后同样采用了TD-B3LYP的方法研究了电场对氮化镓的紫外可见吸收光谱的影响，并仿照碳化硅对所有计算结果进行分析构图，从而得出了较为直观的分析结果。

最后，根据氧化锌计算键长与实验值对比，通过Gaussian 09中BVP86/6-311G (d,p)基组优化得到了不同辐射场下氧化锌的稳定构型，在此基础上，对其进行了能量、频率计算，接着采用TD-BVP86方法对氧化锌激发态的能量进行计算，并且得到其最低的25个激发态对应的吸收波长和谐振强度。再根据对这些数据的处理得到了氧化锌键长、偶极矩、总能量、能隙随外场的变化图以及红外和拉曼光谱拟合分析图，包括辐射场对UV-VIS吸收光谱的具体影响，这对研究分子受到紫外可见光辐射后发生电离具有重要的意义。

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