Ab initio расчеты электронно-энергетической структуры и оптических свойств пироцирконатов лантана и неодима

Введение. Соединения с лантаном и неодимом (La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7) обладают низкой теплопроводностью, высокой диэлектрической проницаемостью и температурой плавления, стабильностью и устойчивостью к дефектам. Их можно применять для теплоизоляции металлических компонентов в турбинах и воздушных двигателях. Кроме того, указанные соединения широко исследуются с точки зрения развития материаловедения, особенно при совершенствовании лазерной техники и оптики. Однако физические свойства La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7 недостаточно экспериментально изучены. Этот пробел призвано восполнить представленное исследование. Цель работы — модельные расчеты электронной структуры и оптических свойств La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7. Материалы и методы. На основе модельных расчетов в рамках теории функционала плотности исследована электронно-энергетическая структура пироцирконатов La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7, содержащих Zr и имеющих кристаллическую структуру пирохлора. В расчетах использовались взятые из литературы параметры кристаллической решетки La2Zr2O7. Из-за отсутствия экспериментальных данных параметры для Nd2Zr2O7 рассчитывались через минимизацию сил, действующих на атомы соединения. Применяется комбинированный обменно-корреляционный потенциал, учитывающий сильные взаимодействия d- и f-электронов атомов La и Nd с поправкой в форме модифицированного метапотенциала Беке-Джонсона. Для расчетов использовался пакет программ Wien2K. Результаты исследования. Получены плотности электронных состояний всех атомов исследованных соединений. Сравниваются рассчитанные плотности валентных электронных состояний соединений с экспериментальными рентгеновскими фотоэлектронными спектрами. При нулевой энергии рассчитаны значения оптических характеристик La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7. Во-первых, это диэлектрическая проницаемость: для La2Zr2O7 — 8,4334, для Nd2Zr2O7 — 8,501. Во-вторых, преломление: для La2Zr2O7 — 2,904, для Nd2Zr2O7 — 2,916. В-третьих, отражение: для La2Zr2O7 — 23,786 %, для Nd2Zr2O7 — 23,935 %. Высокий оптический коэффициент поглощения (˃105 см–1) фиксируется в областях: от 5 до 14 эВ, от 14 до 28 эВ и от 28 до 40 эВ. Пиковые значения экстинкции приходятся на области от 5 до 13 эВ, от 14 до 28 эВ и от 28 до 40 эВ. Кристаллы La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7 могут поглощать фотоны в широком диапазоне энергий (4–10 эВ). Обсуждение и заключение. Исследование дополнило представления о свойствах La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7 новыми экспериментальными данными. Рассчитаны плотности электронных состояний и оптические спектры соединений La2Zr2O7 и Nd2Zr2O7. Это позволило объяснить особенности экспериментальных рентгеновских фотоэлектронных спектров соединений. В приближении модифицированного потенциала Беке-Джонсона получены значения ширин запрещенных полос соединений, соответствующие экспериментальным. Исследование относится к фундаментальным и может открыть перспективы создания более эффективных, надежных и функциональных материалов, лазерных и оптических устройств.