冲击波加载下稀土及过渡金属络合物光谱-压力现象的研究

For investigating the optical spectrum-pressure phenomenon of the rare-earth and transition-metal complexes under shock wave loading, a theoretical method will be established. This method will be suitable to describe the correlation between the shock wave pressure induced anisotropic crystal distortion and the electronic structure changes in luminescent ions. A new crystal field model which contains the crystalline electric field and the covalent coupling between the luminescent ions and theirs ligand ions will be proposed. In order to study the spectra of the rare-earth ions Eu2+、Eu3+、Ce3+ and the transition-metal ion Cr3+ in Kobayashi's and Gupta's experiments, both the irreducible tensor method and the Slater determinant method will be used to establish the complete energy matrices for the interaction Hamiltonian. By diagonalizing the energy matrices, the relationship among the spectrum-shift、broadening of the spectrum、reducing intensity of the spectrum as well as the shock wave induced crystal structure distortion will be determined. This project will promote the development of a new technology for using the luminescent ion spectra as an atomic probe to study the shock wave induced the changes in the solids. The correlation between the shock wave pressure and the spectrum shift as well as the crystal distortion will be displayed. This is also very important to promote the cross-development between the atomic-molecular physics and the high-pressure physics.

以冲击波加载下稀土及过渡金属络合物的光谱-压力现象为研究目标，建立一种能描述冲击波压力诱导晶格各向异性畸变与发光离子电子能级结构相关联的理论分析方法，提出晶体场与弹性张量相关的物理模型，它包含晶格静电场和发光离子与配体间共价耦合等机理。针对Kobayashi实验涉及的稀土离子Eu2+、Eu3+、Ce3+和Gupta实验涉及的过渡金属离子Cr3+，采用不可约张量方法与行列式波函数方法相结合的方案，对研究体系的哈密顿量构造完全的能量矩阵，通过对角化矩阵确定出冲击压力下晶体结构畸变与光谱移动、谱线变宽以及发光强度减弱等物理现象之间的联系。本项目对于晶体中发光离子光谱与晶体结构相关联的研究将推动使光谱作为原子探针来研究冲击波诱导的固体内变化这一新技术的发展，并揭示出冲击波压力与光谱移动以及晶格畸变间的内在联系。这对于促进原子分子物理与高压物理的交叉发展有重要的意义。

本项目对冲击波加载下稀土及过渡金属络合物光谱-压力现象展开了理论研究。主要工作进展包括以下几个方面：1）建立了计算发光离子光谱的完全能量矩阵方法。研究体系的哈密顿量包括了电子与电子间的库仑排斥、自旋-轨道耦合、两体及三体作用、自旋与其它轨道耦合，相对论静电关联的自旋-轨道耦合作用等物理机理。2）在晶体弹性张量与晶体场模型以及晶格畸变与光谱移动方面，研究了晶体畸变引起的非线性项以及无穷小应变与拉格朗日应变之间的相互关系。将密度泛函理论中的DFT+U算法应用于过渡金属掺杂晶体的计算中，通过与实验光谱数据的对比分析，证实了在Al2O3:Cr3+红宝石体系中采用晶体场理论的点电荷模型能合理的处理晶体场效应，利用不同压强下DFT理论预测的键长变化，结合对角化完全能量矩阵的方法，研究了多条特征光谱线随压力移动的规律；同时我们还注意到为确定畸变角随压力的变化，应该增加对电子顺磁共振实验谱的分析，而且，作为探针的过渡金属离子应选择以S为基态的离子为佳。3）采用J-O理论分析了发光稀土离子的跃迁和发光强度之间的关系，并完成了程序设计。在研究Tm3+掺杂YAB的局域晶体结构、能级分离和磁偶极跃迁机理时，发现在费米能级上方有一极窄的导带，这表明Tm3+离子的掺杂有可能引起了YAB晶体从绝缘体向半导体的转变；对掺杂YAP:Tm3+体系的计算发现了一个新的稳定结构，同时发现该发光晶体的一条被广泛应用的2.3微米波是源于3H4--3H5的电偶极跃迁。在对PbTiO3：Fe3+-VO体系晶格结构、光谱和EPR谱的研究中发现Fe3+离子远离了氧空位且四个氧配体向着氧空位方向移动。理论上对La+、Ce2+、Pr3+、Nd4+、Yb4+离子的禁戒跃迁，M1，M2的振子强度，自发辐射几率的计算得到了与实验相符合的结果。