Optical response and surface properties of KTiOPO4 and related materials
Creators: name: Neufeld, Sergej
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Das Ferroelektrikum Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO4, KTP) und seine beiden Isomorphen Rubidiumtitanylphosphat (RbTiOPO4, RTP) und Kaliumtitanylarsenat (KTiOAsO4, KTA) werden in großem Umfang in der linearen und nichtlinearen Optik eingesetzt. Trotz dieser verbreiteten Anwendungen sind eine Vielzahl von Materialeigenschaften der KTP Kristallfamilie noch immer unzureichend verstanden. Auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zielt diese Studie darauf ab, eine Reihe offener Fragen in Bezug auf (i) die spektroskopischen Signaturen von KTP, RTP und KTA und (ii) die Oberflächenterminierungen der [001]- und [010]-Oberflächen von KTP zu beantworten. Im ersten Schritt wird der Einfluss von Quasiteilchen- und exzitonischen Effekten auf die dielektrische Funktion aller drei Materialien schrittweise untersucht, indem DFT-Berechnungen unter Verwendung der GW-Näherung durchgeführt werden und die Bethe-Salpeter-Gleichung gelöst wird. Ein Vergleich zwischen den drei Spektren ermöglicht es anschließend, den Einfluss von Kationsubstitution auf die optische Antwort der KTP-Kristallfamilie zu evaluieren. Im nächsten Schritt werden die phononischen Zustandsdichten und Raman-Suszeptibilitäten der drei Materialien auf Grundlage der Dichtefunktionalstörungstheorie untersucht, was eine nichtphänomenologische Zuordnung zwischen experimentellen Raman-Banden und einzelnen Schwingungsmoden ermöglicht. Schließlich werden thermodynamisch stabile Rekonstruktionen der [001]- und [010]-Oberflächen von KTP für typische chemische Umgebungen mit Hilfe von Berechnungen der DFT Gesamtenergien ermittelt. Es wird gezeigt, dass die Ausbildung neuer Bindungen und Änderungen der Oberflächenstöchiometrie die Bildung besetzter Oberflächenzustände und damit eine deutliche Verkleinerung der KTP-Bandlücke bewirken.
description: The ferroelectric potassium titanyl phosphate (KTiOPO4, KTP) along with its isomorphs rubidium titanyl phosphate (RbTiOPO4, RTP) and potassium titanyl arsenate (KTiOAsO4, KTA) are used extensively within linear and nonlinear optics. Despite this frequent use, many bulk and surface-related properties of the KTP crystal family are still poorly understood.On the footing of the density-functional theory (DFT), this study aims at addressing a number of open questions regarding the (i) spectroscopic signatures of KTP, RTP and KTA and (ii) surface terminations of the [001] and [010] surfaces of KTP. In the first step, the influence of quasiparticle and excitonic effects on the dielectric response function of all three materials is investigated stepwise by performing DFT calculations utilizing the GW approximation and solving the Bethe-Salpeter equation. A comparison between the spectra subsequently allows to estimate the influence of cation substitution on the optical response of the KTP crystal family. In the next step, phononic densities of states and Raman susceptibilities of all three materials are evaluated on the basis of density-functional perturbation theory, allowing for a nonphenomenological mapping between experimental Raman bands and individual vibrational modes. Lastly, thermodynamically stable reconstructions of the KTP [001] and [010] surfaces for typical chemical environments are determined using total-energy DFT calculations. Rebonding processes and changes in the surface stoichiometries are shown to induce the formation of occupied surface states and thus a pronounced shrinkage of the KTP band gap.