李恬靜 操秀霞 唐士惠 何林? 孟川民?

1) (四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 固體物理研究所, 成都 610101)

2) (中國工程物理研究院流體物理研究所, 沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽 621900)

藍(lán)寶石的沖擊消光現(xiàn)象是高壓領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn).低壓段(86 GPa范圍內(nèi))的實(shí)驗(yàn)研究表明藍(lán)寶石的沖擊消光與晶向相關(guān), 但在高壓段(壓力范圍: 131—255 GPa)是否也具有晶向相關(guān)性目前尚不清楚.為此, 利用第一性原理方法, 分別計(jì)算了八個(gè)不同晶向的藍(lán)寶石理想晶體和含氧離子空位缺陷晶體在高壓段的光吸收性質(zhì), 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 1)藍(lán)寶石在高壓段的沖擊消光表現(xiàn)出明顯的晶向效應(yīng), 且該效應(yīng)還隨壓力增大而增強(qiáng);2)沖擊誘導(dǎo)的氧離子空位缺陷對(duì)揭示這些晶向效應(yīng)可能有重要作用, 而壓力和溫度因素對(duì)其貢獻(xiàn)則較弱.進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析可以看出, 在沖擊實(shí)驗(yàn)采用的波段內(nèi), a晶向的消光最弱(透明性最好), c晶向的消光最強(qiáng)(透明性最差), s晶向的消光介于它們二者之間, 同時(shí), m晶向的消光與a晶向的消光相似, r, n, d晶向的消光與c晶向的消光接近, g晶向的消光要弱于s晶向的消光.鑒于此, 如果在高壓段開展加窗沖擊波實(shí)驗(yàn), 建議選擇a晶向或m晶向的藍(lán)寶石作為其光學(xué)窗口.本文結(jié)果不僅有助于深入地認(rèn)識(shí)藍(lán)寶石在極端條件下的光學(xué)性質(zhì), 而且對(duì)未來的實(shí)驗(yàn)研究有重要的參考作用.

1 引 言

藍(lán)寶石(Al2O3)是一種重要的陶瓷材料, 在高壓技術(shù)和地球科學(xué)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用[1?3].例如, 在動(dòng)態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)中, 它常被用作光學(xué)窗口[2?6].目前, 沖擊壓縮下材料的溫度和光譜等測量都需要用到窗口材料, 這些實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是窗口材料的沖擊透明性問題, 因?yàn)樗鼘?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響[2?11].所以, 研究沖擊壓縮下藍(lán)寶石透明性變化的規(guī)律有重要的科學(xué)意義和技術(shù)需求.藍(lán)寶石在常態(tài)下具有極高的透明性, 但在沖擊壓縮下其透明性會(huì)降低[2,6].對(duì)于這個(gè)沖擊消光的現(xiàn)象, 人們已從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行了較深入的研究(例如, 文獻(xiàn)[2], [6]以及[8?10]), 但多數(shù)還是基于某個(gè)晶向的藍(lán)寶石樣品來開展工作[6].事實(shí)上, 藍(lán)寶石沖擊消光的晶向效應(yīng)也是值得研究的, 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究者需要了解采用什么晶向的藍(lán)寶石晶體作為光學(xué)窗口效果最佳(沖擊透明性相對(duì)最好)[11].

迄今為止, 關(guān)于藍(lán)寶石沖擊消光的晶向效應(yīng),已開展了一些實(shí)驗(yàn)研究.Fat’yanov等[12]在26 GPa的壓力范圍內(nèi)分別測量了a晶向、c晶向和r晶向藍(lán)寶石的透射譜, 并觀測到其沖擊消光與晶向相關(guān)的現(xiàn)象.Hare等[13]通過測量兩種晶向藍(lán)寶石的消光系數(shù)發(fā)現(xiàn), 沖擊壓力在～255 GPa處, 其c晶向的消光與r晶向的消光沒有明顯差異.這表明藍(lán)寶石在強(qiáng)沖擊壓縮下的消光行為可能與晶向沒有明顯的相關(guān)性[6].這個(gè)推測是否正確有待進(jìn)一步研究,因?yàn)楦鶕?jù)兩種晶向樣品的實(shí)測數(shù)據(jù)做出的判斷缺乏可靠性.另外, 基于七種晶向(c, d, r, n, s, g以及m晶向)樣品在16—86 GPa的沖擊波剖面測量結(jié)果, Kanel等[11]推斷m晶向和s晶向藍(lán)寶石的沖擊透明性相對(duì)最好(作為光學(xué)窗口效果最佳).但更高壓力條件下, 該結(jié)論是否適用尚不確定.其原因是, 在86 GPa范圍內(nèi), 藍(lán)寶石的沖擊消光相對(duì)較弱且可能主要是由其散射消光導(dǎo)致的[6,14], 但沖擊壓力達(dá)到大約130 GPa時(shí), 一方面它的消光效應(yīng)明顯增強(qiáng)且主要是由其吸收消光引起的(此時(shí)散射消光的貢獻(xiàn)較小)[6,8], 另一方面它將發(fā)生結(jié)構(gòu)相變[3?4,15].這些壓力誘導(dǎo)的變化因素是否導(dǎo)致藍(lán)寶石光學(xué)性質(zhì)的晶向相關(guān)性發(fā)生改變需要深入研究.

從目前的情況來看, 除實(shí)驗(yàn)手段外, 第一性原理計(jì)算研究上述問題也是一個(gè)較好的方法, 因?yàn)槔迷撏緩? 1)可以直接計(jì)算材料在不同晶向、壓力以及波長下的光吸收性質(zhì); 2)在計(jì)算一些窗口材料(如, Al2O3, MgO和LiF)在高壓下的光學(xué)性質(zhì)時(shí), 獲得了與沖擊實(shí)驗(yàn)觀測相符的結(jié)果[8?9,16?19].第一性原理方法采用不同晶向藍(lán)寶石晶體的高壓吸收光譜數(shù)據(jù)來探索其沖擊消光的晶向效應(yīng), 通常認(rèn)為, Al2O3的沖擊消光現(xiàn)象是由它的吸收和散射消光兩個(gè)因素導(dǎo)致的[6], 不過研究表明, 沖擊壓力在131—255 GPa, 吸收消光應(yīng)該占有主導(dǎo)地位,而散射消光的貢獻(xiàn)很弱[6,8].這意味著, 在該壓力范圍內(nèi)探索本文關(guān)注的沖擊消光晶向效應(yīng)問題時(shí), 第一性原理方法是有效的.迄今為止, 人們已對(duì)八種晶向(a, c, d, r, n, s, g以及m晶向)的藍(lán)寶石晶體實(shí)施了沖擊實(shí)驗(yàn)[11?13], 表明這些晶向的藍(lán)寶石晶體是目前市場上所能提供的材料, 因此, 利用這八種晶向的藍(lán)寶石材料來探究其沖擊消光的晶向效應(yīng)是實(shí)驗(yàn)研究者關(guān)心的問題.盡管如此, 如果在多個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)這些晶向的藍(lán)寶石材料實(shí)施沖擊消光實(shí)驗(yàn), 則需要花費(fèi)大量的人力和物力成本, 所以開展計(jì)算模擬工作, 并為實(shí)驗(yàn)研究提供一些有價(jià)值的信息, 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

另外, 本文還需要考慮空位缺陷因素.因?yàn)樵趶?qiáng)沖擊壓縮下, 固體材料內(nèi)部通常會(huì)存在高濃度的點(diǎn)缺陷[20?21], 且空位點(diǎn)缺陷對(duì)固體材料的光學(xué)性質(zhì)可能有顯著影響[8,9,16,17,19], 同時(shí), 含空位點(diǎn)缺陷的物理模型已成功解釋了強(qiáng)沖擊壓縮下藍(lán)寶石透明性明顯降低的現(xiàn)象[8?9], 這表明探究空位點(diǎn)缺陷對(duì)其沖擊消光的晶向效應(yīng)影響有重要的價(jià)值.

基于上述理由, 本文利用第一性原理計(jì)算方法, 在131—255 GPa, 計(jì)算了上述八種晶向的藍(lán)寶石理想晶體和含空位點(diǎn)缺陷晶體的光吸收性質(zhì),獲得的數(shù)據(jù)主要是為了探究強(qiáng)沖擊壓縮下藍(lán)寶石消光的晶向相關(guān)性, 并為窗口材料的選擇提供理論依據(jù).

2 計(jì)算方法

沖擊壓縮不僅會(huì)產(chǎn)生高壓, 同時(shí)還伴隨高溫的出現(xiàn).為了獲得藍(lán)寶石在沖擊狀態(tài)下的物性信息,本文的計(jì)算工作將按照以下兩個(gè)步驟來實(shí)施:

1) 在131—255 GPa, 八種晶向(a, c, d, r, n,s, g以及 m晶向)的藍(lán)寶石理想晶體和含空位點(diǎn)缺陷晶體吸收光譜的第一性原理計(jì)算.

沖擊實(shí)驗(yàn)和高壓計(jì)算結(jié)果都表明, Al2O3在131—255 GPa 應(yīng)該處于CalrO3結(jié)構(gòu)相區(qū)[3?4,15,19?20,22?25].所以, 在其理想晶體的計(jì)算中將采用這個(gè)結(jié)構(gòu)相的原胞模型(具體信息見文獻(xiàn)[9]).按照引言中的論述, 本文還需要研究空位點(diǎn)缺陷對(duì)高壓下藍(lán)寶石光吸收性質(zhì)的影響.Weir等[20]推斷沖擊誘導(dǎo)的缺陷濃度將隨壓力增大而增高, 且計(jì)算研究進(jìn)一步表明空位點(diǎn)缺陷濃度隨壓力增大也有相似的變化行為[16,19].然而, 在不同的沖擊狀態(tài)下, 空位缺陷濃度的具體信息是不清楚的, 因此, 通常只能定性地探究這些缺陷的行為.同時(shí)考慮到計(jì)算資源的限制,本文的缺陷計(jì)算將選取以下三種超原胞模型: 40,60和80個(gè)原子的超原胞.在這些模型內(nèi)部去掉一個(gè)原子, 就獲得了濃度分別為2.5%, 1.67%以及1.25%的空位缺陷晶體模型.由于藍(lán)寶石中處于充分電離態(tài)的空位點(diǎn)缺陷是最穩(wěn)定的[26], 而且用含氧離子空位()點(diǎn)缺陷的模型已成功解釋了藍(lán)寶石沖擊透明性損傷的現(xiàn)象(鋁離子空位點(diǎn)缺陷()對(duì)該現(xiàn)象沒有貢獻(xiàn))[8?9], 所以本文的缺陷計(jì)算僅采用了含空位點(diǎn)缺陷的藍(lán)寶石晶體模型.檢驗(yàn)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 超原胞內(nèi)氧離子空位位置的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果基本沒有影響, 即可以去掉超原胞內(nèi)任意一個(gè)氧離子來構(gòu)成缺陷晶體的計(jì)算模型.

計(jì)算工作是在Material Studio下的CASTEP模塊中[27], 采用平面波超軟贗勢(shì)結(jié)合密度泛函理論 (density functional theory, DFT) 框架下的第一性原理方法[28,29]來完成的.用廣義梯度近似(general gradient approximation, GGA) 的PBE計(jì)算方案處理電子間的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)[30], 而充分的幾何優(yōu)化則采用了BFGS算法[31], 并且本文所有模型的優(yōu)化計(jì)算精確度由如下條件控制: 最大位移偏差、最大應(yīng)力偏差、原子間相互作用力的收斂精度以及自洽收斂精度分別為 0.002 ?,0.1 GPa, 0.05 eV/?, 2 × 10—5eV/atom.為了證實(shí)計(jì)算的收斂性, 平面波截?cái)嗄苋?00 eV.計(jì)算所需的八個(gè)不同晶向藍(lán)寶石晶體的晶向指數(shù)參見文獻(xiàn)[11?13].另外, 對(duì)于CalrO3結(jié)構(gòu)相的理想晶體,K點(diǎn)設(shè)置為 5 × 2 × 2, 空帶數(shù)取為 400.對(duì)于CalrO3結(jié)構(gòu)相的缺陷晶體設(shè)置如下: 131.2 GPa的計(jì)算采用了空位缺陷濃度為1.25%和1.67%的模型, 對(duì)應(yīng)K點(diǎn)的設(shè)置分別為3 × 2 × 1和2 × 2 × 2;255 GPa的計(jì)算采用了空位濃度為1.67%和2.5%的模型, 對(duì)應(yīng)K點(diǎn)的設(shè)置分別為2 × 2 × 2和 3 × 2 × 2.空位濃度為 1.25%, 1.67%以及2.5%的缺陷晶體模型在實(shí)施計(jì)算時(shí)的空帶數(shù)分別設(shè)置為480, 432和400.

藍(lán)寶石高壓吸收譜的信息可以通過計(jì)算其復(fù)介電函數(shù)的實(shí)部 ε1(ω) 和虛部 ε2(ω) 來獲得(ω 是角頻率)[32].具體的方法如下: 在線性響應(yīng)范圍內(nèi), 固體材料的宏觀光學(xué)性質(zhì)可由與其電子結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的復(fù)介電函數(shù) ε (ω)= ε1(ω)+ ε2(ω) 來描述.而且,通過直接躍遷概率定義和Kramers?Kronig色散關(guān)系可以得出固體材料的 ε1(ω) 和 ε2(ω) 為[33]

其中C, V表示導(dǎo)帶和價(jià)帶, BZ表示第一布里淵區(qū), K 為倒格矢, | MCV(K)|2為動(dòng)量矩陣元, A 為與允許直接躍遷吸收系數(shù)有關(guān)的常數(shù),表示導(dǎo)帶和價(jià)帶的本征能級(jí).最后, 固體材料的吸收光譜 α (ω) 可由下列公式給出[32]:

為了說明計(jì)算數(shù)據(jù)的有效性, 選取不同的截?cái)嗄?、K點(diǎn)以及空帶數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)計(jì)算.結(jié)果發(fā)現(xiàn), 采用更大的截?cái)嗄?、更多的K點(diǎn)以及更高的空帶數(shù)來實(shí)施計(jì)算不會(huì)影響本文的結(jié)論.同時(shí), 何林等[9]還采用GGA?PBE以及LDA(局域密度近似)?CA?PZ方法計(jì)算了含氧空位缺陷的藍(lán)寶石晶體在131.2 GPa處的吸收光譜, 兩種近似方法獲得的數(shù)據(jù)基本一致, 說明采用不同的近似方法來實(shí)施計(jì)算也不會(huì)影響本文的結(jié)論.

2) 高壓吸收光譜計(jì)算數(shù)據(jù)的沖擊溫度修正.溫度修正所需的沖擊溫度數(shù)據(jù)是基于模型計(jì)算獲得的[6](注意: 文獻(xiàn)[8]曾對(duì)c晶向藍(lán)寶石晶體的高壓吸收光譜數(shù)據(jù)實(shí)施沖擊溫度修正, 但選取的溫度數(shù)據(jù)偏低, 所以本文將采用文獻(xiàn)[6]中的模型計(jì)算得到的沖擊溫度參數(shù)對(duì)上述吸收光譜數(shù)據(jù)重新實(shí)施修正).研究表明, 沖擊溫度對(duì)材料光學(xué)性質(zhì)的影響是由于溫度導(dǎo)致其能隙降低而產(chǎn)生的[34?35].第一性原理計(jì)算的能隙將隨沖擊溫度的出現(xiàn)而降低, 且其降低的程度隨沖擊溫度的升高而增大.本文將根據(jù)計(jì)算獲得的溫度數(shù)據(jù)以及在文獻(xiàn)[9]中給出的能隙隨溫度變化關(guān)系來對(duì)八種晶向藍(lán)寶石晶體的計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)施溫度修正.另外, 藍(lán)寶石晶體的能隙在零壓下的計(jì)算值比常態(tài)下的實(shí)測值[36]低約2.959 eV,這個(gè)差異是由于第一性原理理論的局限性造成的,該理論更適合預(yù)測材料基態(tài)的性質(zhì)[8], 用第一性原理計(jì)算半導(dǎo)體和絕緣材料的能隙時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生低估的結(jié)果, 這種低估可以當(dāng)作是一種系統(tǒng)誤差[8?9,37].因此, 本文的計(jì)算數(shù)據(jù)需要實(shí)施沖擊溫度和系統(tǒng)誤差兩個(gè)修正.

3 結(jié)果與討論

圖1(a) 給出了沖擊壓縮下八種晶向(a, c, d,r, n, s, g和 m晶向)CalrO3?Al2O3吸收光譜的計(jì)算數(shù)據(jù).其中, 理想晶體數(shù)據(jù)表明, 在131—255 GPa的壓力范圍內(nèi), 藍(lán)寶石吸收譜存在非常微弱的晶向效應(yīng), 而且隨著壓力增大, 晶向效應(yīng)還進(jìn)一步衰減,同時(shí)a, m和g晶向的吸收譜還有很微小的紅移(其它晶向的吸收譜幾乎沒有變化).然而,空位點(diǎn)缺陷的存在將使得藍(lán)寶石沖擊吸收譜的晶向效應(yīng)顯著增強(qiáng), 而且該晶向效應(yīng)還隨著壓力的升高而進(jìn)一步地增強(qiáng).同時(shí),空位點(diǎn)缺陷還導(dǎo)致不同晶向的吸收曲線出現(xiàn)了巨大的紅移現(xiàn)象, 且隨著壓力增大, 紅移的程度明顯加大(這與前人的理論預(yù)測相符[8]).盡管如此, 這些缺陷模型計(jì)算的結(jié)果是否有效, 仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證(因?yàn)樵跊_擊壓縮下藍(lán)寶石內(nèi)部的空位點(diǎn)缺陷濃度具體多少尚不明確,所以僅定性地探究空位缺陷對(duì)其性質(zhì)的影響).為此, 參照文獻(xiàn)[8]的做法, 在131.2 GPa和255 GPa處分別又構(gòu)造了一組缺陷濃度較低的晶體模型(圖1(b)).對(duì)比分析圖1(a)和(b)中的缺陷晶體數(shù)據(jù)可以看出, 采用兩組缺陷濃度的計(jì)算模型都得出一致的結(jié)論, 說明本文的缺陷晶體結(jié)果是可靠的[8].

圖1 八種晶向 CalrO3?Al2O3的吸收光譜隨沖擊壓力變化的規(guī)律(a, c, d, r, n, s, g 和 m 分別表示 a, c, d, r, n, s, g和 m 晶向, 計(jì)算數(shù)據(jù)已做了沖擊溫度修正) (a) 在兩個(gè)壓力點(diǎn)分別采用較高缺陷濃度模型的計(jì)算數(shù)據(jù)(內(nèi)嵌圖為理想晶體數(shù)據(jù)的放大圖); (b) 在兩個(gè)壓力點(diǎn)分別采用較低缺陷濃度模型的計(jì)算數(shù)據(jù)Fig.1.Shock?pressure dependence of the optical absorption spectra for CalrO3?Al2O3 with eight crystallographic orient?ations (a, c, d, r, n, s, g and m indicate a, c, d, r, n, s, g and m orientations, respectively.The calculated data have been corrected by shock temperature): (a) Data calculated with higher defective concentration model at 131.2 GPa and 255 GPa (the inserted figure shows perfect?crystal data);(b) data calculated with lower defective concentration mod?el at 131.2 GPa and 255 GPa.

圖2 八種晶向 CalrO3?Al2O3的理想晶體吸收光譜隨壓力變化的規(guī)律(a, c, d, r, n, s, g和m分別表示a, c, d, r, n,s, g 和 m 晶向)Fig.2.Pressure dependence of the optical absorption spec?tra for perfect CalrO3?Al2O3 with eight crystallographic ori?entations (a, c, d, r, n, s, g and m indicate a, c, d, r, n, s, g and m orientations, respectively).

圖3 沖擊溫度和空位點(diǎn)缺陷對(duì)八種晶向CalrO3?Al2O3高壓吸收光譜的影響(a, c, d, r, n, s, g和m分別表示a, c, d, r, n, s, g和 m 晶向)Fig.3.Effects of the shock temperature and vacancy point defect on the high?pressure optical absorption spectra for CalrO3?Al2O3 with eight crystallographic orientations (a, c,d, r, n, s, g and m indicate a, c, d, r, n, s, g and m orienta?tions, respectively).

然而, 藍(lán)寶石的沖擊消光將表現(xiàn)出怎樣的晶向相關(guān)性, 目前仍是一個(gè)問題.由于在131—255 GPa藍(lán)寶石的沖擊消光現(xiàn)象主要是由吸收因素導(dǎo)致的[6,8], 所以可以從八個(gè)不同晶向的藍(lán)寶石吸收光譜的數(shù)據(jù)中獲得其消光性的晶向效應(yīng)信息.從圖1(a)中的理想晶體數(shù)據(jù)可以看出, 在沖擊實(shí)驗(yàn)采用的波段內(nèi)(250—1000 nm[6,9]), 藍(lán)寶石不存在吸收行為, 不能解釋實(shí)測的消光現(xiàn)象[2,6,13], 意味著理想晶體結(jié)果不能用于推斷藍(lán)寶石沖擊消光的晶向效應(yīng)特征.但是, 圖1(a)中的缺陷晶體數(shù)據(jù)卻能夠成功地解釋沖擊實(shí)驗(yàn)在上述壓力區(qū)觀測到的三種現(xiàn)象: 1)透明性損傷現(xiàn)象[8?9]; 2)消光系數(shù)隨波長增大而降低以及消光性隨壓力增大而增強(qiáng)的結(jié)果[6,8]; 3)隨壓力增大消光曲線出現(xiàn)了紅移的現(xiàn)象[6,8].這一切都表明, 八個(gè)不同晶向的缺陷晶體數(shù)據(jù)可以用于探究藍(lán)寶石沖擊消光的晶向相關(guān)性.而且, 沖擊壓力在255 GPa處, 藍(lán)寶石缺陷晶體的計(jì)算數(shù)據(jù)表現(xiàn)出其c晶向的吸收性與r晶向的吸收性沒有明顯差別的特征(兩個(gè)不同缺陷濃度模型的計(jì)算都支持這個(gè)結(jié)果), 能夠解釋沖擊實(shí)驗(yàn)觀測[13](圖4),進(jìn)一步地強(qiáng)化了本研究組的判斷.

圖4 兩個(gè)不同晶向 CalrO3?Al2O3 在 255 GPa 處的沖擊吸收光譜的計(jì)算數(shù)據(jù)和沖擊消光系數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)(c 和 r分別表示 c 晶向和 r 晶向, 計(jì)算數(shù)據(jù)已做了沖擊溫度修正)Fig.4.The calculated optical absorption spectra and the measured extinction coefficients for CalrO3?Al2O3 with two crystallographic orientations at shock pressure of 255 GPa(c and r indicate c and r orientations, respectively.The cal?culated data have been corrected by shock temperature).

以上討論可以說明, 在131—255 GPa能得出三個(gè)方面的結(jié)論: 1)藍(lán)寶石的沖擊消光將表現(xiàn)出明顯的晶向效應(yīng), 且該效應(yīng)還隨著壓力升高而增強(qiáng);2)在探究這些晶向效應(yīng)的問題中, 空位缺陷因素占有重要的地位, 壓力和溫度因素的貢獻(xiàn)則較小;3)八個(gè)不同晶向的藍(lán)寶石消光曲線組應(yīng)該與它們對(duì)應(yīng)的缺陷晶體吸收曲線組具有相似的晶向相關(guān)性, 即, 在沖擊實(shí)驗(yàn)采用的波段內(nèi), a晶向的消光最弱(透明性最好), c晶向的消光最強(qiáng)(透明性最差),s晶向的消光介于它們二者之間, 同時(shí), m晶向的消光與a晶向的消光相似, r, n, d晶向的消光與c晶向的消光接近, g晶向的消光要弱于s晶向的消光(圖1(a)和(b)).基于此, 可以推斷, 如果在該壓力區(qū)開展加窗沖擊實(shí)驗(yàn), 應(yīng)選擇a晶向或m晶向藍(lán)寶石材料作為其光學(xué)窗口.值得注意的是, 上述結(jié)果與Kanel等[11]基于低壓段數(shù)據(jù)得出的結(jié)論存在差異, 這可能與消光機(jī)理的變化以及結(jié)構(gòu)相變等因素有關(guān)(見引言部分的討論).

另外, 對(duì)圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 計(jì)算的吸收曲線和實(shí)測的消光曲線之間還是存在一些差異[13], 差別主要表現(xiàn)在計(jì)算的吸收系數(shù)隨波長增大衰減較快, 而實(shí)測的消光系數(shù)隨波長增大衰減相對(duì)較慢[13], 這可能是由于計(jì)算模型過于簡單而導(dǎo)致的.本文采用的是能夠解釋實(shí)驗(yàn)中一些關(guān)鍵特征的空位點(diǎn)缺陷模型[8,9].但實(shí)際情況是, 強(qiáng)沖擊壓縮下藍(lán)寶石內(nèi)部不僅會(huì)出現(xiàn)空位點(diǎn)缺陷, 還會(huì)產(chǎn)生線、面等缺陷[8,21], 這些缺陷對(duì)其光學(xué)性質(zhì)也可能有影響.盡管如此, 由于計(jì)算條件的限制, 目前還難以評(píng)估這些缺陷的實(shí)際貢獻(xiàn).但含點(diǎn)缺陷模型計(jì)算得到的吸收光譜數(shù)據(jù)能夠定性地解釋目前所能獲得的藍(lán)寶石在強(qiáng)沖擊下實(shí)測的消光數(shù)據(jù), 因此, 有理由相信本文預(yù)測的藍(lán)寶石沖擊消光的晶向效應(yīng)結(jié)果有一定的可靠性, 并對(duì)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究有重要的參考價(jià)值.

4 結(jié) 論

本文利用第一性原理方法, 在131—255 GPa,分別計(jì)算了八個(gè)不同晶向的藍(lán)寶石理想晶體和含空位點(diǎn)缺陷晶體的光吸收性質(zhì), 并在探究其沖擊消光的晶向相關(guān)性問題中獲得了如下一些認(rèn)識(shí):

1) 藍(lán)寶石在強(qiáng)沖擊壓縮下的消光具有明顯的晶向效應(yīng), 而且該效應(yīng)還隨著壓力增大而增強(qiáng).這與前人基于兩種晶向樣品的實(shí)測數(shù)據(jù)做出的推測[6]不一致.所以, 本文建議采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)這個(gè)問題開展進(jìn)一步的研究.

2) 沖擊誘導(dǎo)的氧離子空位缺陷對(duì)揭示這些晶向效應(yīng)有重要作用, 而壓力和溫度因素對(duì)其貢獻(xiàn)則較弱.這給人們提供了一個(gè)啟示: 在研究固體材料的沖擊光學(xué)性質(zhì)時(shí), 除考慮壓力和溫度因素外, 空位缺陷因素也值得重視.

3) 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 在沖擊實(shí)驗(yàn)采用的波段內(nèi),a晶向的消光最弱(透明性最好), c晶向的消光最強(qiáng)(透明性最差), s晶向的消光介于它們二者之間,同時(shí), m晶向的消光與a晶向的消光相似, r, n,d晶向的消光與c晶向的消光接近, g晶向的消光要弱于s晶向的消光.基于此, 如果在上述壓力區(qū)開展加窗沖擊波實(shí)驗(yàn), 建議選擇a晶向或m晶向的藍(lán)寶石作為其光學(xué)窗口.本文的這些預(yù)測對(duì)未來的實(shí)驗(yàn)研究可能有重要的參考價(jià)值.