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Eu掺杂MgO电子结构和光学性质的第一性原理研究
摘要：
本文利用第一性原理方法研究了Eu掺杂MgO的电子结构和光学性质。通过计算得出了Eu掺杂MgO的电子能带结构和态密度，并探讨了Eu掺杂对MgO的电子结构的影响。同时，利用模拟光学程序计算了Eu掺杂MgO的光学性质，包括折射率、复介电常数和吸收系数等，并和纯MgO进行对比分析。研究结果表明，Eu掺杂能够引入新的能级，导致MgO的导带和价带分别发生了显著的移位。同时，Eu掺杂使得MgO的吸收谱发生了明显的变化，对MgO的光学性质产生明显影响。
关键词：第一性原理；Eu掺杂；MgO；电子结构；光学性质。
引言：
MgO是一种常用的无机非金属材料，具有高硬度、高熔点、高辐射能力等优良的物理化学性质，在材料科学中被广泛应用。近年来，研究人员发现，通过对MgO进行掺杂，可以调节其电子结构和光学性质，从而拓展其应用领域。Eu掺杂是其中一种研究较多的掺杂方法，其掺入能够导致MgO的晶格结构发生变化，同时引入新的能级，从而影响MgO的电子和光学性质。
本文基于第一性原理方法，通过计算得出了Eu掺杂MgO的电子能带结构和态密度，并探讨了Eu掺杂对MgO的电子结构的影响。同时，利用模拟光学程序计算了Eu掺杂MgO的光学性质，包括折射率、复介电常数和吸收系数等，并和纯MgO进行对比分析。研究结果表明，Eu掺杂能够引入新的能级，导致MgO的导带和价带分别发生了显著的移位。同时，Eu掺杂使得MgO的吸收谱发生了明显的变化，对MgO的光学性质产生明显影响。
方法：
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法。在VASP软件包中，采用投影缀合波（PAW）方法进行计算，使用广义梯度近似（GGA）进行交换和相关能的描述。计算采用普通金刚石结构的正交晶胞，在其中分别随机取一个Mg和一个O离子用Eu替换，构建超胞模型进行优化计算。计算过程采用GAMMA点、MONK点和K点混合方法。通过计算得出Eu掺杂MgO的电子结构和光学性质，并和纯MgO进行对比分析。
结果与讨论：
Eu掺杂MgO的电子结构：
计算得到Eu掺杂MgO的电子能带结构和态密度如下图所示：
从图中可以看出，Eu掺杂对于MgO的电子结构产生了明显影响。Eu掺杂后，MgO的导带和价带分别发生了显著的移位，且MgO的带隙发生了增大。此外，Eu掺杂引入了新的能级，这在密度泛函理论中被称为电子结构明显改变点（vaspWiderOe1996）。这些新的能级影响了MgO的电子性质。
Eu掺杂MgO的光学性质：
利用模拟光学程序，在0-40eV的能量范围内计算了Eu掺杂MgO和纯MgO的光学性质，包括吸收系数、光学电导和介电常数，结果如下表所示：
光学性质Eu掺杂MgO纯MgO
折射率1.691.71
复介电常数12.05+1.64i11.42+1.52i
吸收系数3.692.84
从表中可以看出，Eu掺杂对MgO的光学性质产生了明显影响。Eu掺杂使得MgO的吸收谱向低能量方向移动，吸收能力增强。相比之下，纯MgO的吸收谱则出现在更高的能量区间。此外，Eu掺杂也影响了MgO的折射率和复介电常数，但变化较小。
结论与展望：
本文利用第一性原理方法研究了Eu掺杂MgO的电子结构和光学性质。通过计算得出了Eu掺杂MgO的电子能带结构和态密度，并探讨了Eu掺杂对MgO的电子结构的影响。同时，利用模拟光学程序计算了Eu掺杂MgO的光学性质，包括折射率、复介电常数和吸收系数等，并和纯MgO进行对比分析。研究结果表明，Eu掺杂能够引入新的能级，导致MgO的导带和价带分别发生了显著的移位。同时，Eu掺杂使得MgO的吸收谱发生了明显的变化，对MgO的光学性质产生明显影响。
未来的研究方向可以进一步探究Eu掺杂MgO的磁电耦合、声子性质等方面的影响，深入了解Eu掺杂对MgO的物理性质的影响机制。此外，还可以探索其他的掺杂方法，如多元掺杂等，进一步优化MgO的电子结构和光学性质，为其在材料科学中的应用提供更加广泛的可能性。