人工晶体学报

作者：丁家福, 和志豪, 王云杰, 苏欣

单位：1.伊犁师范大学物理科学与技术学院,伊宁 835000; ；2.伊犁师范大学,新疆凝聚态相变与微结构实验室,伊宁 835000

关键词：第一性原理,密度泛函理论,磷酸盐晶体,硫代磷酸盐晶体,电子结构,光学性质,力学性质,

基金：新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2023D04074);伊犁师范大学科研项目(22XKZZ21);伊犁师范大学大学生创新训练项目(S202210764016,S202210764014);新疆伊犁科技计划(YZ2022Y002);新疆维吾尔自治区天山英才计划第三期(2021—2023)

本文基于第一性原理对磷酸盐与硫代磷酸盐家族中的GaPO4、InPO4、TlPO4、GaPS4、InPS4和Tl3PS4进行系统的对比研究,探究[PO4]3-基团和[PS4]3-基团之间的联系与区别。能带计算结果表明,TlPO4带隙最小(Eg=0.788 eV),InPO4、GaPS4、InPS4和Tl3PS4带隙较大,分别为2.604、2.352、2.360和2.393 eV,而GaPO4带隙最大(Eg=4.487 eV),发现[PS4]3-基团化合物能带结构更加容易预测与调控。态密度计算结果表明,GaPO4、InPO4与TlPO4价带顶均由O-2p轨道贡献,导带底均由阳离子的s轨道及O-2p轨道共同贡献,GaPS4、InPS4与Tl3PS4在价带顶处均由S原子的p轨道贡献,而在导带部分[PS4]3-基团化合物的P原子的p轨道表现更加活跃。通过分析介电函数发现,[PO4]3-基团化合物和[PS4]3-基团化合物的峰值均随阳离子尺寸增大发生红移,且含[PS4]3-基团的化合物具有比含[PO4]3-基团化合物更高的静态介电常数。双折射计算结果表明,GaPO4、InPO4、TlPO4、GaPS4、InPS4和Tl3PS4在波长1 064 nm处的双折射率分别为0.017、0.049、0.057、0.247、0.022和0.038,其中GaPS4双折射率最大(0.247),这是由于其内部P—S键与Ga原子对能量较敏感。差分电荷密度与布居分析结果表明,六种化合物的光学效应与能带结构主要受到[PO4]3-与[PS4]3-基团影响。弹性模量分析表明磷酸盐化合物的弹性性质要高于硫代磷酸盐,并且发现In的化合物具有更高的力学稳定性和刚性。

来源：2025年第1期

《人工晶体学报》期刊编辑部

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