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透明陶瓷因具有特殊功能和先进陶瓷固有的一些特性,在光学窗口、激光和光电开关等领域得到了广泛的应用。随着数字相机和可视移动电话等便携式设备的发展,作为光学部件的光功能元件也日趋小型化,因此,对更高折射率透明陶瓷的探索仍是热点。本文采用固相烧结法制备了Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)体系陶瓷,表征并分析了其结构,继而设计了六方、立方BMN和Sn4+掺杂BMN(Sn4+: BMN)的结构模型,采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)的赝势平面波法(Pseudopotential Plane Wave, PP-PW)程序包,分别计算了它们的电子结构,分析和探讨了其本征光学性能,并初步预测了Sn4+:BMN的折射率和透过率等性能,计算结果与实验结果相吻合。主要研究内容如下: (1)采用X射线衍射分析和Raman光谱等测试手段对制备的纯BMN体系和Sn4+: BMN体系进行了结构表征。结果表明:对于纯BMN体系,随烧结温度的升高,结构由立方向六方过渡,1600℃时,BMN近乎纯六方结构;对于Sn4+: BMN体系,随Sn4+掺量的增加,结构由六方向立方过渡,当Sn4+掺量高于10 mol%时,体系为纯立方结构。运用Rietveld全谱拟合法分别确定了BMN体系和Sn4+:BMN体系的相结构,并对相应的晶体结构参数进行了表征,从而设计了立方、六方BMN以及立方Sn4+:BMN晶体结构模型。 (2)计算了纯BMN体系的电子结构并分析预测了其光学性能。计算结果表明:六方BMN具有Eg=2.728 eV的间接带隙,费米面附近的能带结构主要由O-2p和Nb-4d轨道的电子态密度决定;在可见光区,折射率为1.91-2.14,1 mm厚的BMN单晶透过率约为77-83%,并伴随有一定的色散现象。 (3)计算了Sn4+: BMN体系的电子结构并分析预测了其光学性能。电子结构计算结果表明其具有间接带隙性质,费米面附近的能带结构主要由 O-2p和Nb-4d、Sn-5p轨道的电子态密度决定。Sn4+: BMN的禁带宽度随Sn4+含量的增加而逐渐增大,吸收边蓝移,透明光区扩大。实验测得Sn4+含量为5-20 mol%的体系Eg′≈2.8 eV,在可见光区透明,计算预测1 mm厚的Sn4+:BMN透明陶瓷在可见光区的理论透过率T约为23.6-79.74%,折射率n≈2。