DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-37416

Fe、La掺杂LiNbO₃电子结构和光学性质的第一性原理

林  龙^{1, 2}，陈瑞欣¹，黄敬涛¹，余伟阳³，祝令豪¹，王朋涛¹，徐永豪³，李立新⁴，郭  艳³，张战营¹

(1. 河南理工大学 材料科学与工程学院 环境友好型无机材料重点实验室培育基地，焦作 454000；

2. 河南理工大学 数学与信息科学学院，焦作 454000；

3. 河南理工大学 物理与电子信息学院，焦作 454000；

4. 河南理工大学 材料科学与工程学院，焦作 454000)

摘  要：采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，研究本征LiNbO₃晶体以及Fe、La掺杂LiNbO₃的电子结构及光学性质。计算LiNbO₃晶体在不同掺杂体系下的折射率、反射率、吸收函数、能量损失谱以及光电导率等光学性质。结果表明：本征LiNbO₃晶体没有磁性，但可以通过Fe原子的诱导产生自旋极化。Fe掺杂LiNbO₃体系产生的总磁矩为8.54 μ_B，其主要是由Fe的3d轨道自旋极化引起的，而Fe原子提供的磁矩为3.40 μ_B。掺杂原子可以有效调控LiNbO₃晶体的电子结构和光学性质，为改善LiNbO₃晶体的性能提供了可靠的理论依据。

关键词：电子结构；光学性质；磁性；第一性原理；LiNbO₃

文章编号：1004-0609(2020)-10-2369-10　　     中图分类号：0562.1　　     文献标志码：A

21世纪以来，信息产业有着前所未有的高速发展，大容量数据的高速存储和传输成为迫切需要。光学全息存储被认为是一种海量快速存储数据的有效方法，因此光学材料被大量研究。在众多的光学材料中，SrB₅O₇F₃因其具有较宽的光学带隙、较高的各向异性等优点，受到研究者的广泛关注^[1-2]。MUTAILIPU等^[3]研究了SrB₅O₇F₃的光学性质，研究结果表明，SrB₅O₇F₃在紫外或深紫外光区域，是优良的非线性光学材料。随着光学性质在各种器件中应用得越来越广泛，光学存储因其高效的存储方式而备受推崇，因而激起了国内外研究者的极大兴趣^[4-6]。铌酸锂(LiNbO₃)因其具有良好的读取可重复性，因此，可以作为潜在的全息储存介质^[7-8]。研究表明LiNbO₃性能稳定、易生长、成本低，并且可以通过掺杂金属离子改善其光学性质，因此受到了广泛的关注^[9-12]。

在实验上，徐悟生等^[13]研究了LiNbO₃晶体掺杂In离子的占位情况，结果显示在In³⁺掺入量高于阈值3%(摩尔分数)时，其抗光损伤能力增强，比掺入量低于阈值的晶体高1~3个数量级，在此基础上，进一步讨论了掺杂LiNbO₃晶体抗光损伤能力增强的机理。卜德冲等^[14]制备并探索了Mn、Cu、Ba掺杂LiNbO₃薄膜的铁电性能和铁磁性能，结果显示在(Mn, Cu)共掺杂LiNbO₃体系中，当Mn的掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时，原子磁矩为1.09 μ_B/Mn，其磁性源于Mn离子和近邻Nb离子的轨道耦合作用。郭汝海等^[15]研究了Fe、Mn掺杂对LiNbO₃晶体的全息存储性能的影响，实验结果表明：Fe、Mn掺杂LiNbO₃晶体在有无紫外光的情况下，不能实现全息图像的非破坏性读出，而氧化的Fe、Mn掺杂LiNbO₃晶体在有紫外光记录的情况下能实现全息图像的非破坏性读出。在计算上，王藩侯等^[16]利用第一性原理研究了Mn掺杂LiNbO₃晶体的磁性和光吸收性能，结果表明Mn掺杂LiNbO₃晶体的磁性主要源于Mn原子，且磁矩高达4.3 μ_B。赵辉等^[17]计算了Mn、Fe、Ru掺杂LiNbO₃晶体的电子结构和光学性质，通过对电子结构的分析，发现杂质能级的深浅与掺杂元素原子序数有关，原子序数越大，杂质能级越深。通过对吸收光谱进行比较，发现共掺杂在可见光区域吸收率明显提高，约为单掺杂的3倍。雷晓蔚等^[18]利用第一性原理计算了Mn掺杂LiNbO₃晶体的电子结构与光学性质，结果表明Mn掺杂产生了杂质能级，其主要由Mn的3d轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于本征LiNbO₃晶体的带隙，使得电子跃迁所需能量降低。

近年来，关于LiNbO₃掺杂体系的研究仍在继续。从最近研究成果可以看出，关于LiNbO₃光学性质研究于多见于实验方面^[19-21]，如王义杰等^[22]研究了Fe掺杂LiNbO₃晶体的生长机制和光学性质，王锐等^[23]对La掺杂LiNbO₃晶体的生长机制和抗光损伤性能进行了研究。然而在理论计算上，很少有人探讨Fe、La掺杂对LiNbO₃晶体结构的影响机理，从微观本质上解释掺杂诱导LiNbO₃性能改善的研究也很少，并且对掺杂LiNbO₃磁学性质也很少有人研究，而磁性的起源是一个令人感兴趣的话题。因此在计算上研究Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的磁性和光学性质是非常有意义的。本文采用基于第一性原理的密度泛函理论研究方法，分别研究了Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的微观电子结构、磁性来源以及光学性质。

1  计算模型与计算方法

LiNbO₃晶体属于三方晶系，在居里温度以下，呈现铁电相，属于R3c空间群^[24]。转换成六方晶系后对应的LiNbO₃晶格常数为a=b=5.148 ，c=13.863 ，90°，120°^[25]。在LiNbO₃晶体中，铌原子与其周围的6个氧原子以共价键相连，构成氧八面体构型，锂离子填充于氧八面体中。本文的计算模型选用包含12个铌原子、12个锂原子、36个氧原子的2×1×1超胞^[26]，如图1所示。计算考虑原子采用的

图1  2×1×1的60个原子Fe, La掺杂LiNbO₃晶体结构图(Fe原子替代Li原子，La替代Nb原子)

Fig. 1  Fe, La doped LiNbO₃ 2×1×1 crystal structure with 60 atoms (Fe atom replaces Li atom and La atom replaces Nb atom)

价电子结构分别为：Li 2s¹，Nb 4d⁴，O 2p⁴，Fe 3d⁶，La 5d¹。本文采用基于密度泛函理论^[27]平面波超软赝势方法的CASTEP软件(Cambridge sequential total energy package)进行计算^[28]。交换-关联能采用广义梯度近似(GGA)中的PW91 泛函 (GGA-PW91)，布里渊区k点设置为 6×6×2^[29]。本文采用的平面波截断能选取为380 eV，结构弛豫计算时的收敛判据如下：自洽场收敛标准为 5×10^-7 eV/atom，作用在原子上的力收敛到 0.01 eV/ ，总能量收敛指标为1×10^-5 eV，晶格常数变化时的最大位移限制为0.1 ，原子最大位移收敛标准为5×10^-4 。

2  结果与讨论

2.1  本征LiNbO₃及掺杂体系的电子结构

首先对本征LiNbO₃晶体的晶格常数进行几何优化，优化后的结果如表1所列。从表1可以看出, 与吴圣钰等^[30]研究结果对比，优化后的晶格常数的变化在允许范围之内，体系的结构未发生较大畸变，表明计算采用的理论模型和计算方法是合理可信的。

表1  本征LiNbO₃晶格参数优化结果

Table 1  Lattice parameters of pure LiNbO₃ before and after geometrical optimization

为了确定不同掺杂体系最稳定的构型，分别在Fe和La掺杂体系中选取10个和9个掺杂位作为比较，如图1所示。掺杂位点的选择如下：1~10为Fe位置，标记为Fe₁~Fe₁₀；1~9为La位置，标记为La₁~La₉。采用下列公式计算不同位置的形成能：

      (1)

式中：和分别为Fe/La掺杂后和本征LiNbO₃的总能量；和分别为掺杂原子(Fe/La)和被替代原子(Li/Nb)的化学势。计算结果如表2所列，Fe₇和La₇掺杂体系分别是其所属组态中最稳定的一个。在下面计算中，分别选用Fe₇和La₇作为研究对象。通过对不同掺杂体系计算结果进行比较可知，Fe、La掺杂均使得LiNbO₃晶体的晶格发生畸变，且掺杂时晶胞体积增大。La掺杂LiNbO₃晶体体系比Fe掺杂LiNbO₃晶体体系体积增大得更明显，其原因是La原子半径大于Fe原子半径。通过计算两种掺杂体系的形成能，发现Fe掺杂的形成能远低于La掺杂的，进一步说明Fe掺杂LiNbO₃晶体体系相比La掺杂LiNbO₃晶体体系更易形成。

表2  不同掺杂LiNbO₃体系对应形成能(E_form)

Table 2  Formation energies (E_form) of different doped LiNbO₃ system

为了与掺杂体系进行对比，计算了本征LiNbO₃晶体态密度，如图2所示。计算结果显示，总态密度价带主要来源于O的2p轨道和Nb的4d轨道，费米能级附近主要近由Nb的4d轨道贡献。-5~0 eV之间的价带主要由Nb原子的4d轨道和O原子的2p轨道组成。导带主要由O原子2p轨道、Li原子的2s轨道和Nb原子的4d轨道组成，其中Li原子的2s轨道组成了导带的高能部分。从上面的分析可知，Li、Nb、O原子的能量相近的轨道发生了明显杂化，即O原子的2p轨道和Nb原子的4d轨道杂化组成了价带顶和导带底的主要部分，正是这种杂化导致了LiNbO₃晶体的价带顶和导带底电子态密度的增大。

图2  本征LiNbO₃态密度图

Fig. 2  DOS of pure LiNbO₃

由非线性光学理论可知，晶体的价带顶与导带底对晶体的非线性光学效应贡献最大，所以Nb原子的4d轨道和O原子的2p轨道发生明显杂化影响了LiNbO₃晶体非线性光学性质。进一步分析总态密度发现，自旋向上和自旋向下态密度完全对称，意味着本征LiNbO₃晶体是没有磁性的。本文中所计算LiNbO₃晶体带隙宽度为3.65 eV，而实验测得的禁带宽度为3.60~3.80 eV^[31]，表明理论计算值与实验值相符，进一步说明计算方法可行、计算数据可靠。

为了进一步比较不同原子掺杂对电子结构的影响，分别用Fe原子和La原子对LiNbO₃进行掺杂。计算采用的参数与本征LiNbO₃超晶胞的一致。分别计算并分析了Fe掺杂LiNbO₃晶体和La掺杂LiNbO₃晶体态密度及分波态密度，分别如图3(a)和(b)所示。从图3(a)可以看出，与本征LiNbO₃晶体相比，Fe掺杂LiNbO₃晶体总态密度在费米能级附近明显不对称，总态密度发生了自旋分裂。主要是由于Fe掺杂LiNbO₃晶体中，总态密度主要由Fe原子的3d轨道，Nb原子的4d轨道和O原子2p轨道提供贡献。总态密度图在费米能级附近的非对称性结构，导致Fe掺杂LiNbO₃体系宏观上显示磁性。掺杂后体系总磁矩为8.54 μ_B，掺杂原子提供3.40 μ_B。从图3(b)的总态密度可以看出，在费米能级附近，自旋向上与自旋向下的电子态密度没有明显的不对称，说明整个体系的自旋极化很弱，主要是由于La掺杂LiNbO₃晶体中，总态密度由La原子的5d轨道，Nb原子的4d轨道和O原子2p轨道提供贡献。总态密度图在费米能级附近的非对称性结构，导致La掺杂LiNbO₃晶体体系宏观上显示磁性。掺杂后体系总磁矩为3.96 μ_B，磁矩主要由O原子贡献，只有一小部分来自La原子(掺杂La原子仅提供0.01 μ_B)。与本征LiNbO₃晶体的态度图比较可以看出，掺杂体系均引起自旋极化，进而整体显示出磁性。通过对态密度的分析，从微观层面上证实了杂质原子的引入是诱导磁性的主要原因，为LiNbO₃晶体改善性能提供了有益的理论依据。

图3  Fe掺杂和La掺杂LiNbO₃晶体态密度图

Fig. 3  DOS of Fe doped(a) and La doped(b) LiNbO₃, respectively

2.2  本征LiNbO₃及掺杂体系的光学性质

对Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的电子结构分析知 道，Fe、La作为一种光敏感掺杂原子，在晶体中能够激发d轨道电子，从而改变晶体光学性能。由于Fe、La的掺杂在晶体中产生杂质能级，从而对光学性质的改良起决定作用。其电子跃迁方式由O原子的2p轨道向Nb原子的4d轨道跃迁分别转变为Fe、La原子的3d、5d轨道向Nb原子的4d轨道跃迁。同时，带隙的减小导致跃迁所需的能量变得更小，从而对晶体的各项光学性质的改善起到了重大作用。

为了研究Fe、La掺杂LiNbO₃的光学性质，首先计算了掺杂前后的介电函数，并根据介电函数得到了吸收系数、反射系数、能量损失函数和光导率等。介电函数如下式所示：

                         (2)

式中：当角频率一定时，介电函数虚部与光吸收密切相关，可表示为

                   (3)

介电函数的实部可通过Kramers-Kroning (KK)关系得到，表达如下：

                 (4)

式中：c，v分别代表导带和价带；BZ为第一布里渊区；K为倒格矢；为普朗克常量；为动量跃迁矩阵元；为角频率；和分别为导带和价带上的本征能级。理论上，所有其他的光学性质都可以通过和得到，即吸收系数、反射系数、能量损失函数和光导率等都可以通过介电函数的实部或虚部求解得到。

图4  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体介电常数对比图

Fig. 4  Dielectric function of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

介电函数的虚部对应着光子的吸收，因此本节首先计算了本征LiNbO₃晶体以及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的介电函数，分别如图4(a)、(b)、(c)所示。当LiNbO₃晶体中引入杂质元素Fe、La时，原有体系的介电常数会发生变化，由图4对比发现，与理想LiNbO₃晶体相比较，Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的静态介电常数都有很大提高。

由图4(b)和(c)可以看出，Fe掺杂LiNbO₃晶体与La掺杂LiNbO₃晶体介电函数基本相同，但是La掺杂LiNbO₃晶体介电函数的峰值比Fe掺杂LiNbO₃晶体介电函数的峰值低，这是由于掺杂的La 原子导致LiNbO₃晶体Nb原子4d轨道分裂强度降低，进一步表明 La掺杂LiNbO₃晶体中价带到导带之间的电子跃迁强度弱于Fe掺杂LiNbO₃晶体。介电函数的虚部反应光激发载流子的浓度，介电函数的虚部波峰越大，则受激发跃迁的激发电子越多，从而激发电子的浓度越大。结果表明，La掺杂LiNbO₃晶体激发电子浓度小于Fe掺杂LiNbO₃晶体中的浓度。

折射率为光在真空中的传播速度与光在某介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。折射率与介质的电磁性质密切相关，因此研究不同掺杂体系的折射率很有意义。为了提高 LiNbO₃晶体的抗光损伤能力，研究了Fe、La 掺杂LiNbO₃晶体的折射率。图5(a)、(b)、(c)分别展示了本征LiNbO₃晶体以及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的折射率。折射率包含实部(n)与虚部(k)两条曲线，其中折射率的实部曲线代表的是相应能量光子照射下晶体的宏观折射率，而虚部曲线反映的是晶体在对应光子能量下晶体对入射光的吸收作用。由图5(b)和(c)可以看出，就静态折射率来说，Fe掺杂体系的静态折射率2.45，大于La掺杂体系的静态折射率2.20；就介电常数而言，前者的介电常数更大。一般情况下，在不同掺杂体系中，折射率和介电常数同时增大或变小，因此，Fe掺杂体系折射率要高于La掺杂体系的折射率。对比Fe掺杂体系和La掺杂体系折射率可以看出，La折射率的所有峰值均移向高能端，入射光能量大于57 eV时，不同掺杂体系的折射率逐渐趋于稳定值。从图5中可知，在相同光源下La掺杂LiNbO₃晶体折射率变化比Fe掺杂LiNbO₃晶体的小，表明在可见光范围内La掺杂LiNbO₃晶体的抗光折变能力强于Fe掺杂LiNbO₃晶体。两种晶体复折射率虚部的对比表明La掺杂LiNbO₃晶体对光子的吸收弱于Fe掺杂LiNbO₃晶体。

图5  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体折射率对比图

Fig. 5  Refractive of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

光与介质的相互作用包括吸收、反射和透射3种。吸收光谱(Absorption spectrum)是指物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱，可是线状谱或吸收带。研究吸收光谱可了解原子、分子和其他许多物质的微观结构和运动状态，以及它们同电磁场或粒子相互作用的情况。晶体中每一种原子都有固定的振动频率，当入射光波段的频率和晶体原子的固有频率一致时，就引起共振吸收，入射光能量被强烈地吸收。因此，研究晶体的光吸收谱是很有必要的。接下来计算了反映Fe、La掺杂LiNbO₃晶体光子吸收能力的吸收光谱，如图6所示。图6(a)、(b)、(c)分别展示了本征LiNbO₃晶体、Fe、La掺杂LiNbO₃晶体LiNbO₃晶体的吸收函数随能量变化曲线，即吸收光谱。从图6对比可知，相对于本征LiNbO₃晶体的吸收光谱，掺杂La原子体系与掺杂Fe原子体系并没有新的吸收峰出现。通过对比掺杂La原子体系与掺杂Fe原子体系吸收光谱发现，原有吸收峰的峰值降低，吸收范围稍微变大，吸收边发生红移。以上分析表明，La掺杂相比于Fe掺杂削弱了LiNbO₃晶体中Nb原子4d轨道的分裂能力，导致La掺杂LiNbO₃晶体光子吸收能力弱于Fe掺杂LiNbO₃晶体。

图6  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体吸收光谱对比图

Fig. 6  Absorption of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

反射系数(Reflection coefficient)是指入射光投向物体时，其表面反射光的强度与入射光的强度之比值，其大小受入射光的投射角度、强度、波长、物体表面材料的性质以及反射光的测量角度等因素影响。接下来计算了不同组态下LiNbO₃晶体反射系数，反射系数曲线为不同掺杂体系下的反射率随能量变化的曲线，如图7所示。图7(a)、(b)、(c)分别展示了本征LiNbO₃晶体、Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的反射系数。从图7对比可知，相对于本征LiNbO₃晶体的反射系数曲线，掺杂La原子体系与掺杂Fe原子体系并没有新的峰值出现。通过对比掺杂La原子体系与掺杂Fe原子体系反射系数曲线发现，本征LiNbO₃晶体以及Fe、La掺杂LiNbO₃体系的能量在32 eV时反射率均达到峰值。进一步对比发现，La掺杂LiNbO₃晶体反射峰值强度高于Fe掺杂LiNbO₃晶体的，且前者宽度略窄于后者。反射率峰值由0.98增加为10.02，反射率向高能端移动1.5 eV，表明掺杂Fe原子导致能级分裂减弱。

图7  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体反射系数对比图

Fig. 7  Reflectivity of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

能量损失函数描述了电子穿过均匀介质造成的能量损失，理论上电子能量损失谱定义为复介电函数的倒虚部^[32]。因此，计算不同组态LiNbO₃晶体的能量损失谱是有必要的。图8(a)、(b)、(c)分别展示了本征LiNbO₃晶体、Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的能量损失谱。从图8对比可知，相对于本征LiNbO₃晶体的能量损失函数，掺杂La原子体系与掺杂Fe原子体系并没有新的峰值出现。通过对比La、Fe掺杂原子体系能量损失谱发现，与Fe掺杂LiNbO₃晶体相比， La掺杂LiNbO₃晶体能量损失强度降低了1/3。

图8  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体能量损失谱对比图

Fig. 8  Loss function of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

图9  本征LiNbO₃晶体及Fe、La掺杂LiNbO₃晶体光电导率对比

Fig. 9  Conductivity of pure LiNbO₃(a), Fe doped LiNbO₃(b) and La doped LiNbO₃(c)

光电导率反映了材料对不同能量光子的吸收对其电导率的影响。图9(a)、(b)、(c)分别展示了本征LiNbO₃晶体、Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的光电导率随能量的变化曲线。从图9(b)中可以看出，入射光能量小于17 eV时，光电导率趋于零，而入射光能量大于22 eV时，光电导率迅速增加，这是由于费米能级以上没有自由电子。在LiNbO₃晶体掺入 Fe、La 是为了提高晶体的抗光损伤能力。与晶体抗光损伤能力相关的是晶体的光导率，晶体相应的抗光损伤阈值与光导率成正比。因此，计算了Fe掺杂LiNbO₃晶体的光导率，并与La掺杂LiNbO₃晶体的计算结果进行对比。从图9(b)、(c)可以看出，Fe掺杂LiNbO₃晶体光导率大于La掺杂LiNbO₃晶体的光导率，表明Fe掺杂LiNbO₃晶体抗光损伤阈值较高，其原因与Fe、La各自电导率大小有关，Fe、La的导电率分别为9.93×10^-8 cm^-1和1.26×10^-8 cm^-1。Fe的电导率明显大于La的，故在掺杂体系中，Fe掺杂LiNbO₃晶体的光导率大于La掺杂LiNbO₃晶体的光导率。根据玻尔兹曼输运方程得知，要想达到与La掺杂LiNbO₃晶体相同的光损伤效果，Fe掺杂LiNbO₃晶体需要更强的光照以及更长的光照时间，即Fe掺杂LiNbO₃晶体的抗光损伤能力强于La掺杂LiNbO₃晶体。

3  结论

1) 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，计算了Fe、La掺杂LiNbO₃晶体的电子结构和光学性质。计算结果表明，本征LiNbO₃晶体没有磁性，而Fe掺杂LiNbO₃晶体表现出自旋极化现象，主要是由掺杂原子Fe的3d轨道在费米能级附近存在自旋极化引起的。Fe掺杂体系总磁矩为8.54 μ_B，磁矩主要有Fe原子提供，而La掺杂体系总磁矩为3.96 μ_B，磁矩主要由自身O原子提供。

2) 对比La掺杂LiNbO₃晶体与Fe掺杂LiNbO₃晶体的光学性质可知，La掺杂LiNbO₃晶体激发电子浓度小于Fe掺杂LiNbO₃晶体的，且前者光子吸收能力弱于后者，而后者的抗光损伤能力要强于前者。总之，Fe、La原子的引入改变了LiNbO₃晶体的磁性和光学性质。本文对Fe、La掺杂LiNbO₃晶体所进行的计算研究，为LiNbO₃晶体光学性质的改性提供有力的理论依据。

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First-principles of electronic structures and optical properties of Fe and La doped LiNbO₃

LIN Long^{1, 2}, CHEN Rui-xin¹, HUANG Jing-tao¹, YU Wei-yang³, ZHU Ling-hao¹, WANG Peng-tao¹, XU Yong-hao³, LI Li-xin⁴, GUO Yan³, ZHANG Zhan-ying¹

(1. Cultivating Base for Key Laboratory of Environment-Friendly Inorganic Materials in Henan Province, School of Materials Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

2. School of Mathematics and Informatics, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

3. School of Physics and Electronic Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

4. School of Materials Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: The electronic structures and optical properties of pure and Fe, La doped lithium niobate crystals (Fe, La: LiNbO₃) were studied by first-principles methods based on density functional theory (DFT). Moreover, the refractive index, the reflectivity, absorption function, energy loss function and the conductivity of optical properties in different doped LiNbO₃ crystals were calculated by CASTEP. The calculated results show that intrinsic LiNbO₃ has no magnetic properties. However, Fe doped LiNbO₃ can induce spin-polarization. The total magnetism of Fe doped LiNbO₃ is 8.54 μ_B, which is attributed to the spin-polarization of 3d orbital of Fe, and the magnetism of Fe atom is 3.40 μ_B. The electronic structures and optical properties of LiNbO₃ can be effectively modulated by the doped atoms, which provides a reliable support in theory for further applications of lithium niobate crystal with different doped atoms.

Key words: electronic structures; optical properties; magnetism; first-principles; LiNbO₃

Foundation item: Projects(U1704255,11804081, 21303041) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(182102210305) supported by the Natural Science Foundation of Henan Province, China

Received date: 2018-11-06; Accepted date: 2020-06-23

Corresponding author: YU Wei-yang; Tel: +86-15138013139; E-mail: yuweiyang@hpu.edu.cn

(编辑  王  超)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1704255，11804081，21303041)；河南省自然科学基金资助项目(182102210305)

收稿日期：2018-11-06；修订日期：2020-06-23

通信作者：余伟阳，讲师，博士；电话：15138013139；E-mail：yuweiyang@hpu.edu.cn