Er 3+：Y0.5Gd0.5VO4晶体生长和缺陷研究

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不同生长条件下合成的金刚石晶体缺陷的特征研究

有较大的差异。
关键词：成金刚石；步辐射；貌像；体缺陷合同形晶
中图分类号：Ｑ１４００７００８Ｔ６；７）７５
文献标识码：Ａ
文章编号：６３１３（０７０－Ｏ２一Ｏｌ７— ４３２０）６Ｏ３７
（．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，北秦皇岛０６０，１河６０４
２．吉林大学超硬材料国家重点实验室，吉林长春１０２，．中国科学院高能物理研究所，３０３３北京１０３）００９
摘
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要：用同步辐射白光貌相术对四组采用不同生长条件合成的金刚石晶体进行了研究，析了四组金采分
刚石晶体内部缺陷的形貌特征并对部分缺陷的特征量进行了计算。同生长条件下合成的金刚石样品不不
仅颜色、晶形不同，体内部的缺陷类型和分布特征也明显不同。Ａ组样品中的晶体缺陷以起源于籽晶表晶面的位错为主，量位错起源于晶体的内部。局部存在层错，别晶体具有孪晶界、状应力区和生长带。少个片在Ｂ组和ｃ组样品中存在的主要缺陷为生长带。组样品中的晶体缺陷主要为生长带和位错束。究结果Ｄ研表明，同种生长条件合成的金刚石晶体缺陷特征具有相似性，不同生长条件合成的金刚石晶体缺陷则具而

Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究

成三明治微型激光器,利用 976 nm LD 泵浦,实现了最大输出功率为 1. 17 W、斜率效率为 33% 的1 543 nm连
续激光输出和能量为 6. 1 μJ、持续时间为 12. 6 ns 的被动调 Q 脉冲激光。 2016 年,Gorbachenya 等 [33] 利用
976 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶GdAl3 ( BO3 ) 晶体,获得了最大输出功率为 1. 7 W、斜率效率为 36% 的 1 550 nm
因而限制了其高功率激光的实现。因此非均匀加宽机制成为关键的光谱加宽途径,而无序晶体属于典型的
非均匀谱宽的激光工作介质。 CaGdAlO4 ( CGA) 晶体属四方晶系,空间群 I4 / mmm,具备电荷无序和阳离子键
长无序的多重无序性,是性能更为突出的无序晶体 [38-41] 。目前,Yb3 + 掺杂的 CGA 晶体在高功率激光及超快
关键词:1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外激光;Er∶CGA 晶体;激光加热基座法;光学性能;全固态激光器;增益介质
中图分类号:O782
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2023)07-1325-10
Growth and Concentration Optimization of Er-Doped CGA Crystals
人工晶体学报
第 52 卷第 7 期
2023 年 7 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS

Vol. 52 No. 7
July,2023
Er 掺杂 CGA 晶体的生长及浓度优化研究
李琳1,2 ,谭慧瑜1,2 ,郑为比1,2 ,谭俊成1,2 ,李真1,2 ,张沛雄1,2 ,陈振强1,2

晶体生长理论

碳化硅晶体的螺位错生长
针状莫来石晶体的螺位错生长
周期键链(PBC)理论

该理论从晶体结构的几何特点和质点能量两方面来探讨界面的生长发育。哈特曼和柏多克等认为在晶体结构中存在一系列周期性重复的强键链，其重复特征与晶体中质点的周期性重复相一致，这样的强键链称为周期键链（periodic bond chain，简写为PBC），晶体均平行键链生长，键力最强的方向生长最快，基于这种考虑，可将晶体生长过程中所能出现的晶面划分为三种类型，分别为F，S和K。 F面，或称平坦面，有两个以上的PBC与之平行，网面密度最大。质点结合到F面上去时，只形成一个强键，晶面生长速度慢，易于形成晶体的主要晶面。 S面，或称阶梯面只有一个PBC与之平行，网面密度中等。质点结合到S面上去时，形成的强键至少比F面多一个，晶面生长速度属于中等。 K面，或称扭折面，不平行任何PBC，网面密度最小，扭折处的发现方向与PBC一致，质点极其容易从扭折处进入晶格，晶面生长速率快，时易消失的晶面。因此，晶体上F面为最常见且发育较大的面，K面经常缺失或罕见。尽管PBC理论从晶体结构，质点能量出发，对晶面生长发育作出了许多解释，也解释了一些实际现象，但在其它晶体中晶面发育仍存在一些与上述结论不尽一致的实例。这表明晶体生长的过程是很复杂的。
晶体平衡形态理论

Frank运动学理论：1958年，F．C．Frank在应用运动学理论描述晶体生长或溶解过程中不同时刻的晶体外形，提出了两条基本定律，即所谓的运动学第一定律和运动学第二定律。利用该定律能够定量计算出晶体的生长形态。
界面生长理论

晶体平衡形态理论虽然是从晶体内部结构、应用结晶学和热力学的基本原理来探讨晶体的生长，但是过于注重晶体的宏观和热力学条件，而没有考虑晶体的微观条件和环境相对于晶体生长的影响，实际是晶体的宏观生长理论；界面生长理论重点讨论晶体与环境的界面形态在晶体生长过程中的作用，力求从界面处物理化学特性来诠释晶体生长的动力。

Yb0.03Y0.19Gd0.78VO4晶体的生长和性能

（台大学环境与材料工程学院，烟山东烟台２４０）６０５
摘要：液相合成了Ｙｂ：ＹＧｄ多晶料，用中ＶＯ采频感应加热Ｃｏｈａｓｉ法生长了Ｙｂ－－ｄ－ｚｃｒｌｋ０３ｌＧ０８ｏＹ０９７
本特性。
线粉末衍射分析表明它的结构与ＹＶＯ和Ｇｄ的ＶＯ晶体结构相同，并计算出了它的晶胞参数为ａ＝ｂ一。ｏ
０７９ａ， —０６２ｎ．１１ｍｃ０．３９ｍ。用激光脉冲法测量了晶体的热扩散系数，比较了晶体ａ轴和ｃ轴的热扩散系数
广泛关］
ｘＹｂ（ＮＯ３３（）＋１一ｚ）（ＭＮＯ３３＋ＮＨ４）ＶＯ３Ｈ２ — ＹｂＭｌ＋Ｏ＿ＶＯ＋ＮＨＮＯ３２＋ＨＮＯ３
沉淀经静止滤去母液，用二次蒸馏水洗涤３次，离心脱水后烘干，后用马弗炉烧结，到白色多晶料然得
备为Ｆ４－０单晶炉，用２Ｈｚ中频感应进行加热，采ｋ生长装置如图１所示。生长的控温设备为Ｅｒ－ｕｏｔｅｍ８８其精度为±０５ｈｒ１，． ℃。因为钒酸钇晶体的熔点比钒酸钆晶体的熔点稍高，以实验中用３所ｍｍＸ３ｍｍ ×２ｍｍ的钒酸钇晶体作为籽晶。将烧好的多晶料放０
料［。按化学计量比准确称取纯度均为４的适当摩８］Ｎ尔比的ＧｚＹＯ、溶于稀硝酸，时，取ｄＯ、。ＹｂＯ，同称

直拉硅中氧化诱生层错研究进展

法. 并指出: S O F是一种由点块 M行为决足的工艺诱生缺陷
关键词氧诱生化层错直拉硅中氧沉晶淀
O iain id cd akn F ut i C Sl o xd t - u e S c ig l n ic n o n t a s L i
C u Y n D rn u D al h J i ag e Q e ni a e u n
V富集区. 外部为工富集区,晶体生长结束日, J尾部可迅速降至40 00 C以下而头部则是缓慢冷却. 相当于经历了一定程度的热处理据估计,n A体头部的热过程相当于70 -NO 0-1 T/
35, 40 0,/ h 的热处理, V聚集成 V t, . 0 -70 37 h+ c . r 由此 o 间 d
陷的径向分布相关联由干空位和自间隙的相互作用, 进而引起氧的异常沉淀, A发 O F 从而i S .这将在下一部分讲述
1 级化诱生层错形成的动力学过程
休 O F一般认为是成拉于氧沉涉处川其反应驭动力为 S
万方数据
侧3 6
材料导报
20 年 t 01 1月第 1 s巷第 1 期 1
d生长参数( b 生长速度 , 固液界面处的温度梯度) 决定的点缺
1 L1刁 /[1 + /[ 1 1 r 16 1 1611一 2a / I1+ 1 2 3 2 [1 , -
层错的能量是层错界面能和周围位错能的总和, 所以比较小时层错的能量较位错环( 全位错) 的为小层错较稳定; 超过某一临界值时, 则位错环较稳定
dv e. oe t dmnn poe -dc df t i Coha k(Z si nIivr ipr n t udr ae ei si n o h o i t c s ue e c n cr si ) c . e m o at nes n c s f e a r s i n d e s z l C i o t y t o t l s t ca c r ts S f ipoi te ly i o w f sT ippr n ri o O F m - . h hr t ii oO F m rv g qat o si n e . s e ia oe e f s ZS wt e a e sc f o r n h u i f l c a r h a s v v w S C t i l f u o te m t n ec. f ri f t s ca c rao m tos S sIiblvd t F a o s h f a o k tsi l n g o ad r t i t n hd o O F . s i e ta O s c n o i i i n u n a r n h a e z i e r n c f t ee h S r e

第四章晶体结构缺陷习题与解答

第四章晶体结构缺陷习题与解答4.1 名词解释（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b）刃型位错和螺型位错解：（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。

如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。

（b）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。

位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。

4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。

以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。

试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。

解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。

在MX 晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。

如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。

当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：CaCl2++2Cl ClCaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：CaCl2+2+2Cl Cl4.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M：X=a：b。

电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。

质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。

4.4（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。

（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。

解：（a）根据热缺陷浓度公式：exp（－）由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23 J/KT1=25+273=298K T2=1600+273=1873K298K：exp=1.92×10-511873K：exp=8×10-9（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反应方程为：此时产生的缺陷为[ ]杂质。

大尺寸YVO_(4)晶体的自动控径提拉法生长

第５０卷第２期２０２１年２月人　工　晶　体　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＹＮＴＨＥＴＩＣＣＲＹＳＴＡＬＳＶｏｌ．５０　Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０２１大尺寸ＹＶＯ４晶体的自动控径提拉法生长曾宪林，陈　伟，张　星，陈秋华（福建福晶科技股份有限公司，福州　３５０００３）摘要：本文报道了在自动控制直径条件下大尺寸ＹＶＯ４晶体的提拉法生长研究。

利用改进的上称重法生长大尺寸ＹＶＯ４晶体，在提拉法单晶生长过程中，晶体扩肩部分采用斜率积分模式，转肩部分采用斜率积分过渡到直径积分模式，等径部分采用直径积分模式，应用这种分段控制方式成功地实现了ＹＶＯ４晶体的自动化生长。

采用４台５０型自动化生长炉对ＹＶＯ４晶体自动化生长工艺进行了长达一年的可靠性验证，预设技术目标为晶体直径大于４０ｍｍ，等径部分长度大于３０ｍｍ，Ｂ级晶体质量达８０％以上，采用自动控制方法生长晶体毛坯共计１３８个，晶体直径达标率为９９．３％，等径部分长度达标率为５３．６％，晶体生长良品率为８８．４％。

本文还讨论了影响晶体等径部分长度达标率的若干工艺因素。

关键词：ＹＶＯ４晶体；自动控制直径；改进的上称重提拉法；直径积分模式；斜率积分模式；提拉炉；可靠性验证中图分类号：Ｏ７８文献标志码：Ａ文章编号：１０００９８５Ｘ（２０２１）０２０２４８０５ＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉＧｒｏｗｔｈｏｆＬａｒｇｅＳｉｚｅＹＶＯ４ＣｒｙｓｔａｌｗｉｔｈＡｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＤｉａｍｅｔｅｒＺＥＮＧＸｉａｎｌｉｎ，ＣＨＥＮＷｅｉ，ＺＨＡＮＧＸｉｎｇ，ＣＨＥＮＱｉｕｈｕａ（ＦｕｊｉａｎＣＡＳＴＥＣＨＩＮＣ．，Ｆｕｚｈｏｕ３５０００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｇｒｏｗｔｈｏｆｌａｒｇｅｓｉｚｅＹＶＯ４ｃｒｙｓｔａｌｗｉｔｈａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｉａｍｅｔｅｒ．ＴｈｅｌａｒｇｅｓｉｚｅＹＶＯ４ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｇｒｏｗｎｂｙｔｈｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｍｏｄｉｆｉｅｄｕｐｗｅｉｇｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＩｎｔｈｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌａｒｇｅｓｉｚｅＹＶＯ４ｃｒｙｓｔａｌｓ，ｔｈｅｓｌｏｐｅｉｎｔｅｇｒａｌｍｏｄｅｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｈｏｕｌｄｅｒｅｘｐａｎｄｉｎｇｐａｒｔ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｓｌｏｐｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｏｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｈｏｕｌｄｅｒｔｕｒｎｉｎｇｐａｒｔ，ａｎｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｌｍｏｄｅｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｔｈｅｅｑｕａｌｄｉａｍｅｔｅｒｐａｒｔ．ＴｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｇｒｏｗｔｈｏｆＹＶＯ４ｃｒｙｓｔａｌｈａｓｂｅｅｎｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｔｈｅｓｕｂｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｂｏｖｅ．ＴｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆＹＶＯ４ｃｒｙｓｔａｌｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｗｉｔｈｆｏｕｒ５０ｍｏｄｅａｕｔｏｍａｔｉｃｆｕｒｎａｃｅｓｉｎａｄｕｒａｔｉｏｎｏｆｏｎｅｙｅａｒ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｇｏａｌｏｆｇｒｏｗｎｃｒｙｓｔａｌｓｗａｓｐｒｅｓｅｔａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ａｃｒｙｓｔａｌｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ４０ｍｍ，ａｌｅｎｇｔｈｗｉｔｈｔｈｅｅｑｕａｌｄｉａｍｅｔｅｒｐａｒｔｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ３０ｍｍ，ａｎｄｍｏｒｅｔｈａｎ８０％ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＢｇｒａｄｅｑｕａｌｉｔｙｃｒｙｓｔａｌｓ．Ａｔｏｔａｌｏｆ１３８ｃｒｙｓｔａｌｂｏｕｌｅｓｗｅｒｅｇｒｏｗｎｂｙｔｈｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｏｄｅ．Ｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｄａｔａｗａｓｓｕｍｍｅｒｉｚｅｄａｓ９９．３％ｃｒｙｓｔａｌｂｏｕｌｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｄｉａｍｅｔｅｒ，５３．６％ｃｒｙｓｔａｌｂｏｕｌｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｌｅｎｇｔｈ，ａｎｄ８８．４％ｙｉｅｌｄｏｆｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｏｆｔｈｅｙｉｅｌｄｏｆｃｒｙｓｔａｌｂｏｕｌｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｌｅｎｇｔｈｏｆｅｑｕａｌｄｉａｍｅｔｅｒｐａｒｔｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＹＶＯ４ｃｒｙｓｔａｌ；ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｉａｍｅｔｅｒ；ｍｏｄｉｆｉｅｄｕｐｗｅｉｇｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｌｍｏｄｅ；ｓｌｏｐｅｉｎｔｅｇｒａｌｍｏｄｅ；Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｆｕｒｎａｃｅ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２０２０１１０４作者简介：曾宪林（１９７９—），男，江西省人，工程师。

不同化学配比钨酸铅晶体缺陷的研究

梁玲，顾牡，段勇，晓辉马
２０９）００２
（济大学玻耳固体物理研究所，海同上
摘要：利用正电子湮没寿命谱（Ａ和Ｘ光电子能谱（ｌ）测试手段，不同化学配比钨酸铅晶体中缺陷进ＰＴ）ｘ的对行研究，果表明丰ｗ样品增加晶体中铅空位（）度（质的量比）而丰Ｐ样品则减少晶体中ｖＰ浓度．结浓物、ｂｂ这
一
结论对大尺寸钨酸铅晶体生长过程中关于温度梯度、长速度和加温制度的有效选取具有一定的参考作用．生
并结合发射谱的测试，出钨酸铅晶体中的绿发光很可能产生于由ｖｂ起的ＷＯ＋Ｏ一提Ｐ引３．关键词：钨酸铅晶体；射光谱；正电子湮没寿命谱；光电子能谱发Ｘ中图分类号：７Ｏ７９０７；３文献标识码：Ａ文章编号：２３７Ｘ（０２０ —１２ —００５ —３４２０）８０６４
ＳｔｄｆＤｅｅｃｓｏｉｅｒｎｅｉａｌｕｙｏｆｔｎＤｆｅｔＣｈｍｆｃＣｏｍｂｉａｔＷＯ４ＣｒｓａｌｎｉＰｂｏｎｙｔ
ＬＩＡＮＧｎ，ＧＵｕ，ＤＵＡＮｎＬｉｇＭＹｏｇ，ＭＡａＸｉｏ— ｈｕｉ
维普资讯
第３０卷第８期２００２年８月
同

材料化学7晶体结构缺陷及点缺陷研究方法

❖式中的 n/N 为热缺陷浓度，随温度升高而呈指数增加。
❖同一晶体中，Schottky 缺陷与Frenkel 缺陷的能量往往存在很大的差别。
习题
将一个钠原子从钠晶体内部移到晶体表面所需的能量为 1 ev。试计算300 K 下晶体中肖特基缺陷的浓度。
点缺陷浓度的两种表示方式
格位浓度： 1 mol 格点位置中所含的缺陷的个数。
3.2 热缺陷的平衡浓度
热缺陷是由于热振动引起的。在热平衡条件下，热缺陷的多少仅和晶体所处的温度有关。在给定的温度下，热缺陷的数量可以用热力学中的自由能最小原理来进行计算。
以 Schottky 缺陷为例
设构成完整单质晶体的原子数为N，在T K时形成了 n 个孤立的空位。每个空位的形成能为
❖MgO-CaO之间则不容易形成固溶体：Mg 的半径为 0.072 nm，Ca 的半径为 0.099 nm。原子半径差接近 30%。
置换型固溶体固溶度的影响因素：晶体结构
❖两组元形成连续固溶体的必要条件是它们具有
相同的晶体结构。
❖晶体结构相同的两个组元，即使半径差稍微大
于15%，也可能形成连续固溶体。
面缺陷 (二维缺陷)
CaF2多晶体表面 SEM 照片，显示出了晶界的存在。
在界面处原子的排列顺序发生了变化，从而形成了面缺陷。
❖ 绝大多数晶态材料都是以多晶体的形式存在的。每一个晶粒都是一个单晶体。多晶体中不同取向的晶粒之间的界面称为晶界。
❖ 晶界附近的原子排列比较紊乱，构成了面缺陷。
(1) 等价置换固溶体
Al2O3 固溶进入Cr2O3
Al2O3
Cr2O3 2AlCXr
3O
X O
(2) 不等价置换固溶体：空位机制

Er 3+：Y0.5Gd0.5VO4晶体中Er 3+离子的光谱特性

速度为Ｏ～２ｍｍｈ．．／，转速１￣２ｒｉ．晶体生长完毕，按照每小时２ ℃到Ｉ０８０００／ｎｍＯＯ￣Ｃ的速度降至室温；降
．．
Ｙ０Ｇｄ５Ｏ４质晶体中的光谱特性．５０Ｖ基
．．
２晶体生长
采用液相法合成纯度比较高的Ｅ：Ｖ４Ｅ：ｄＯ原料，合成化学方程式为：ｒＹＯ和ｒＧＶ４
ＸＥｒａ＋ｏ５１Ｘ（．１
．
Ｍ
＋
ＶＯ一＋
中图分类号：０７４３文献标识码：Ａ
１引言
近年来，稀土掺杂上转换材料的研究取得迅猛发展，Ｅｎｒ离子以其丰富的能级和在可见光（０ｎ４６ｍ、４２ｍ、５３ｍ、５３ｍ、６６ｍ）以及在红外（．￣１ｎ２ｎ４ｎ５ｎ１４ｍ、２￣）波段的荧光发射谱线而受到人们的高５．ｔ９ｍ
轴（４２ｍｍＸ２ｍｍＸ２ｍｍ）１０
功率就能得到所需直径的品体． ¨提拉法生长的晶体，其完整性
收稿 ¨期：０７０．４２０ —２１
会项目：福建省教育厅资助项目（Ｂ６９）Ｊ０１２；宁德师范高等专科学校校级资助项目（０６０８２０Ｙ０）
拉晶体生长的技术。生长的基本工艺是：使要生长的材料在坩锅
中熔化，后将籽品浸泡到熔体中，然旋转籽晶并缓慢地向上提拉，
ｒＹ５ｍＶＯ同时缓慢地降低加热功率，晶直径逐渐增大，籽小心地调节加热图１生长好的Ｅ：ｍＧｄ５４单晶，ａ
的单晶．引

3-4晶体结构与缺陷

稳定晶格作用
形成固溶体能阻止某系晶型转变的发生，起到稳定晶格的作用，例：
水泥熟料中β-C2S(水化活性)→γ -C2S(无活性) → β-C2S+P2O5/Cr2O3形成固溶体，阻止转变 ZrO2 ：高温立方结构（萤石结构）中存在大量 “ 空洞”，为离子扩散提供扩散通道。但是：立方 ↔ 四方 ↔ 单斜，常温失去立方结构 → ZrO2+CaO/Y2O3，稳定成立方相，快离子导体
rSi 4+ = 0.026nm, rAl 3+ = 0.039nm
组分缺陷
组分缺陷：当发生不等价的置换时，必然产生组分缺陷，即产生空位或进入空隙影响缺陷浓度因素：取决于掺杂量(溶质数量)和固溶度。其固溶度仅百分之几。
例如: (1) 产生阳离子空位
MgAl2O4 • '' Al2 O3 ⎯⎯⎯⎯ 2 AlMg + VMg + 3Oo →
离子类型相同，容易形成连续固溶体
化学键
化学键性质相近，容易形成连续固溶体
(4)离子的电价影响
离子价相同或离子价总和相等时才能生成连续置换型固溶体
钠长石Na[AlSi3O8]→钙长石Ca[Al2Si2O8], 离子电价总和为+5价 Na + + Si 4+ ↔ Ca 2+ + Al 3+ 复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中 B位取代 A位取代
固溶体与类质同晶
类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体结构型式发生质变的现象称为类质同晶。矿物学中，固溶体=类质同晶严格地说：类质同晶=置换型固溶体

CeF3晶体生长与性能研究的开题报告

CeF3晶体生长与性能研究的开题报告标题：CeF3晶体生长与性能研究一、研究背景CeF3是一种常见的氟化物晶体，在光电子、激光表面处理、摄影、医学诊断、核物理等领域具有重要应用。

目前，CeF3晶体已经广泛用于制作光纤放大器、激光器、光学器件等。

然而，CeF3的生长过程较为复杂，如何优化生长条件以及研究其性能，仍然是一个热门的研究领域。

二、研究目的本研究旨在通过改变生长条件，优化CeF3晶体的生长过程，同时探究CeF3晶体的结构、光学、电学等性质，为其在光电子等领域的应用提供理论基础和技术支持。

三、研究内容1. 探究CeF3晶体生长过程中的关键参数，如温度、压力、溶液浓度等对晶体生长的影响；2. 优化CeF3晶体的生长条件，选择最佳工艺参数；3. 测量CeF3晶体的结构参数，如晶胞常数、空间群和结晶质量等；4. 研究CeF3晶体的光学性质，如折射率、吸收光谱和荧光光谱等；5. 研究CeF3晶体的电学性质，如电阻率、介电常数和电容等。

四、研究方法1. 锥形炉法生长CeF3单晶体；2. 采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和热重分析仪测试CeF3晶体的结构、光学和热学性质；3. 利用电性质测试系统测量CeF3晶体的电学性质。

五、研究预期结果1. 优化CeF3晶体的生长条件，进一步提高其生长质量；2. 研究CeF3晶体的结构性质，准确确定其结晶结构和空间群；3. 研究CeF3晶体的光学性质，探究折射率和吸收光谱等性质；4. 研究CeF3晶体的电学性质，测量其电阻率和介电常数等性质。

六、研究意义本研究对于进一步深入理解CeF3晶体的结构和性质非常重要。

研究结果可以为制备优质CeF3单晶提供科学依据，同时对其在光电子等领域的应用也具有一定的理论和技术指导意义。

缺陷的类型

精第选p三pt 章晶体结构缺陷——3.1 缺陷的类型 22
资源加工与生物工程学院
4. 电荷缺陷
指质点排列的周期性未破坏，但因电子或孔穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷。
由能带理论，非金属固体具有价带、禁带或导带。温度接近0K时，其价带中电子全部排满，导带中全空。若价带中电子获得足够能量跃过禁带进入导带，则导带中的电子、价带中的孔穴使晶体势场畸变而电荷缺陷产生电荷缺陷。
精第选p三pt 章晶体结构缺陷——3.1 缺陷的类型 21
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3.指非组化成上学偏计离量化缺学中陷的（定比非定化律学所形计成量的化缺陷合。物）
实质：由基质晶体与介质中某些组分发生交换而产生，如 TiO2-x 、Fe1-xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点:其化学组成和缺陷浓度随周围气氛性质及分压大小而变化，是一种半导体材料。
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（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）
（b）单质中的肖特基缺陷的形成
热缺陷产生示意图
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2）肖特基缺陷（Schottky defect）
对于某种特定材料： ➢ 温度一定，热缺陷浓度一定； ➢ 随温度升高，热缺陷浓度呈指数增加。
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（3）缺陷形成和晶体结构的关系
➢晶体结构中空隙较小，且正、负离子半径相差较小 → 肖氏缺陷如，NaCl型：NaCl、MgO、CaO等。
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晶体生长理论发展简史

晶体生长理论发展简史摘要：本文介绍了从二十世纪初至二十世纪五十年代晶体生长理论和实验知识方面的发展历史。

综述内容涉及大多数相关论文的完整地评述、晶体生长发展编年表以及历届晶体生长会议。

结晶工艺技术至少可以追溯到先于人类大部分有文字记载的历史。

利用海水蒸发结晶食盐在很多地方史前就已经开始了，并且可以被认为这是人类最早转变材料的技术方法之一，也许它还可与古人的陶瓷烧结技术相提并论。

结晶过程记载于文献中远早于公元前。

罗马人Plinius在他的《自然史》提到了许多关于盐，例如硫酸盐的结晶问题。

中世纪欧洲和亚洲的炼丹术士对结晶过程和现象已经有较详尽的了解。

炼丹术士Geber早在十二世纪至十三世纪已经在其论文中介绍了通过重结晶、升华和过滤的方法制备和纯化各种材料。

到中世纪末，总的技术进步也导致了在材料生产和转化方面相应技术的进步。

在十六世纪中叶，Birringuccio（1540年）祥尽记载了通过重结晶沥滤和纯化硝盐；以及萨克逊科学家Agricola（1556年）在他的著名的、更广泛影响的著作《论金属?De re metallica》中介绍了如何生产食盐、明矾和硫酸盐（见图1）图1硫酸盐的结晶生产（用绳子作为晶种）到十七世纪已开始越来越多地使用具有现代普通意义上的“结晶”一词。

最初Homer （荷马）用“crystallos”一词只表示冰晶体，古人已经将其延伸到石英晶体（岩石晶体）。

同样在十七世纪准确意义上的结晶“Crystallization”一词开始使用，以替代早期使用的诸如凝固“Condensation”和絮凝“Coagulation”的一类表述。

1611年新年晚上的雪花飘落在Johannes Kepler的衣袖上为其著名的论文《新年的礼物，或论六角形雪花》一文的起始点。

Kepler推断雪花晶体是由球状颗粒密堆而成，并就此提出了关于晶体形貌和结构的正确原则。

约五十年后，Hooke（1665年）在对很多种晶体微结构观察的基础上，在其撰文《Micrographia》中指出任何晶体的形貌可以由球状颗粒排列堆积而实现。

A:Al2O3(A＝Cr,Fe,Ni)晶体生长及其缺陷研究

A：Al2O3(A＝Cr,Fe,Ni)晶体生长及其缺陷研究范修军;王越;徐宏【摘要】High quality Cr-, Fe- and Ni- doped A12O3 (A:A12O3) single crystals with a diameter of 6-8 mm and a length of 60-80 mm were successfully produced by the floating zone technique. The relationship between crystal quality and growth conditions was discussed, and the optimum preparation parameter was obtained. The crystals growth direction was determined as <001> by X-ray diffraction. The X-ray rocking curve of the crystal had a FWMH of 0.089°, proving excellent qua lity of the crystal. The as-grown crystals were characterized by polarized optical microscope and scanning electron microscope, as well as X-ray diffraction. The observed primary crystal defects were sub-angle grain, boundaries, inclusions and solute trails. The absorption spectra properties and dielectric constant measurements of A:A12O3 crystals and fluorescence spectra for Cr:Al2O3 crystals were investigated. In view of the fact that grown A:A12O3 crystals show good quality, a respectively high dielectric constant e, (12.1-15.7), low dielectric loss tanS (0.0020-0.0002), and favorable thermal stability suggests their utilization as laser matrix, dielectric material for microelectronics and substrate material.%报道了A:Al2O3(A=Cr,Fe,Ni)晶体光学浮区法生长工艺,研究了旋转速率、生长速率对晶体质量的影响,制备出了φ6～8 mm、长度为60～80 mm的A:Al2O3晶体.A:Al2O3晶体的生长方向为<001>方向,X射线双晶摇摆曲线表明A:Al2O3晶体具有良好的晶体质量.通过X射线衍射、扫描电镜、偏光显微镜对晶体中的生长缺陷进行了研究,结果表明,A:Al2O3晶体的主要缺陷为小角度晶界、包裹体和溶质尾迹.研究了A:Al2O3晶体的光谱性能,并对A:Al2O3晶体的介电性能进行了测量,室温下1000 kHz时A:Al2O3晶体表现出较高的介电系数εr(12.1～15.7)和较小的介电损耗tanδ(0.0020～0.0002).【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2011(025)012【总页数】7页(P1266-1272)【关键词】A:Al2O3;晶体生长;光学浮区法;晶体缺陷【作者】范修军;王越;徐宏【作者单位】北京工业大学应用数理学院,北京100124;北京工业大学应用数理学院,北京100124;北京工业大学激光工程研究院,北京100124【正文语种】中文【中图分类】O782掺杂不同离子的α-Al2O3晶体呈现不同的颜色,因其独特的物理化学性能在工业、装饰、医疗器械、光学等领域发挥日益重要的作用. 常见的制备不同离子掺杂的α-Al2O3晶体的方法有: 温度梯度法制备掺 Cr3+的红宝石晶体[1]; 焰熔法制备掺Ti3+的钛宝石晶体[2]; 坩埚下降法生长掺 Ti3+的钛宝石晶体[3]; 提拉法生长掺Cr3+的红宝石晶体 [4-5]. 提拉法是生长α-Al2O3晶体最常见的方法, 但是由于α-Al2O3熔点在2050℃, 普通的铱金坩埚根本承受不了如此高的温度, 因此无需坩埚的光学浮区法是生长α-Al2O3基晶体的理想选择. 光学浮区法是近年迅速发展的一种晶体生长方法, 常生长钒酸盐激光晶体[6-8]和超导[9-10]等多种功能晶体. 与提拉法和坩埚下降法等常规晶体生长方法相比, 光学浮区法独特之处在于无需坩埚, 避免了原料与坩埚的污染,因此为易污染的材料提供了一种有效生长途径.然而, 有关光学浮区法生长α-Al2O3基晶体的报道并不多: Saito对光学浮区法生长红宝石晶体中的气泡进行了研究, 发现那些气泡根本不是晶体而是气体(gas)[11-12]; 近年来, Guguschev等[13]利用1.0 kW的四椭球的单晶炉, 成功生长了Cr3+掺杂浓度为 0.01～7.00mol%的红宝石晶体, 但是晶体尺寸较小, 质量有待进一步提高. 未见光学浮区法生长掺Fe2+/3+、Ni2+的α-Al2O3 基晶体的报道.本工作通过光学浮区法制备A:Al2O3(A=Cr, Fe, Ni)晶体, 系统研究了A:Al2O3(A=Cr, Fe, Ni)晶体的生长缺陷, 优化了光学浮区法生长 A:Al2O3(A=Cr, Fe, Ni)晶体的工艺条件, 并对A:Al2O3(A=Cr, Fe, Ni)晶体光谱性能、介电性能进行了研究.1 A:Al2O3晶体生长1.1 原料制备本实验中 Cr3+, Fe2+/3+, Ni2+的掺杂浓度分别为0.1wt%～1.5wt%, 0.1wt%～2wt%, 1.0wt%～6.0wt%.工艺流程为: 将α-Al2O3(99.99%)和 Cr2O3(99.9%)、Fe2O3(99.9%)、NiO(99.9%)按化学计量比称量, 以无水乙醇为弥散剂, 球磨、烘干、过筛. 在70MPa等静压下, 制成φ(10～12)mm×(100～130)mm 的素坯棒. 素坯棒在1350～1550℃/4h下烧结, 得到尺寸为φ(10～12)mm×(100～120) mm的多晶陶瓷棒.1.2 工艺参数的确定本实验晶体生长在光学浮区法晶体生长炉(FZ-T-10000-H-VPO, CSC)中进行. 4个1.5 kW的卤素灯作为加热源. 多晶料棒悬挂于料棒杆上, 籽晶固定于下部的籽晶杆上. 卤素灯产生的红外光经反射聚焦后, 在原料棒和籽晶棒之间形成很窄的熔区,与下部的籽晶相连. 初次生长采用多晶陶瓷棒作为籽晶. 原料棒与籽晶反向旋转, 使熔体混合均匀,熔区稳定之后, 原料杆和籽晶杆下移, 熔体沿籽晶方向结晶生长. 当原料棒全部通过聚焦中心, 晶体生长完成 [14]. 光学浮区法生长晶体不需要坩埚, 熔体主要靠表面的张力维持形状, 因此熔区长度、直径基本由熔体特性和加热温度决定[15]. 由于掺杂不同离子的多晶料棒呈现不同的颜色, 对光源的吸收也不同, 所需要的加热功率也不同. 通过多次实验摸索, 初步掌握了 A:Al2O3晶体生长的工艺参数,见表1.1.3 晶体表征图 1为光学浮区法生长的 A:Al2O3晶体照片,由图可以看出: 晶体尺寸为φ(6～8) mm×(60～80) mm,没有肉眼可见的缺陷, 如: 气泡、裂纹等; 晶体表面光滑, 呈金属光泽, 直径均一, 有细密的生长条纹. A:Al2O3晶体颜色随掺杂离子不同呈现不同的颜色: Cr:Al2O3呈红色, Ni:Al2O3呈黄色, Fe:Al2O3呈现灰色或蓝色. Cr:Al2O3晶体在10 mW的He-Ne激光照射下无色散颗粒. 特别的是, Fe:Al2O3晶体颜色随烧结条件的不同变化较大, 掺杂相同含量 Fe2O3的素坯棒经1550℃烧结制得晶体呈现灰色(图 1(b)), 而经1350℃烧结, 制得晶体为蓝色(图 1(c)), 这可能是由于部分Fe3+在1500℃以上转变为Fe2+[16]. 不同离子进入α-Al2O3晶格会产生不同色心, 在宏观上表现为晶体颜色的变化. 同时, 这些色心将对晶体的光学性能产生较大影响.表1 A:Al2O3晶体光学浮区法生长工艺参数Table 1 Growth conditions of A:Al2O3 crystals by the floating zone methodA:Al2O3 Composition of raw materials Cr, Fe:Al2O3 Ni:Al2O3 Power of halogen lamp/ kW 4.9−5.14.6−4.8 Sintering temperature/℃ 1350−1550 Diameter of feed rod/ mm 10−12 Length of feed rod/ mm 100−120 Rotation speed/(r·min−1) 15−30 Growth speed/ (mm·h−1) 2−5 Atmosphere Air图1 A:Al2O3晶体形貌照片Fig. 1 Photo of as-grown A:Al2O3 single crystals prepared by the floating zone method(a) with 1.0 wt% Cr2O3; (b) with 1.0wt% Fe2O3 sintered at 1550℃/4h; (c) with 1.0wt% Fe2O3, sintered at 1350℃/4h; (d) with 1.0wt% NiO; (e) with 3.0wt% NiO本实验采用 X射线衍射仪(BRUKER-D8)对样品的结构进行了研究. 图 2(a)为不同掺杂离子的A:Al2O3晶体的粉末 XRD图谱, 由图可以看出, 体系中有少量SiO2相存在, 这些SiO2来自于研磨晶体的玛瑙研钵. 除了SiO2相外, 所有样品的XRD图谱与纯α-Al2O3 (JCPDS 43-1484)相同, 没有第二相生成, 表明A离子已经入α-Al2O3晶格之中, 形成固溶体. 同时, 素坯棒经 1350和1550℃烧结制得的Fe:Al2O3晶体的粉末XRD没有明显区别, 这可能是Fe2+/3+太少, 在 XRD图谱中表现不明显. 图 2(b)为Cr:Al2O3晶体平行生长方向切割晶片的 XRD图谱.由图2(b)可以看出, Cr3+:Al2O3晶体为单晶, 并且此晶片为(100)面, 所以晶体生长方向为<001>方向,即 c轴. 为了测试晶体的质量, 取(104)方向的晶片经过打磨、抛光之后进行了X射线双晶摇摆曲线测试. 由图2(c)可以看出, X射线双晶摇摆曲线表现出完美的对称形状, 其半高宽(FWHM)为0.089o, 表明Cr:Al2O3晶体的良好质量. 此外, 实验还对不同方向Fe:Al2O3、Ni:Al2O3晶片进行了X射线双晶摇摆曲线测试, 半高宽(FWHM)在0.09～0.10°之间, 可见采用光学浮区法可以制备高质量的A:Al2O3晶体.图2 (a) A:Al2O3晶体的粉末XRD图谱; (b) Cr:Al2O3 晶体的XRD衍射图谱; (c) (104)方向晶片的X射线双晶摇摆曲线Fig. 2 (a) XRD pattern of A:Al2O3 as-grown crystal, (b) XRD patten of a single crystal Cr:Al2O3 specimen, (c) XRD pattern of the Cr:Al2O3 crystal, (104)-Bragg reflection(A) 0.5wt% Cr:Al2O3; (B) 1.0wt% Fe:Al2O3 grown form the feed rod sintered at 1350℃/4h; (C) 1.0wt% Fe:Al2O3 grown from the feed rod sintered at1550℃/4h; (D) 1.0wt% Ni:Al2O32 晶体缺陷分析采用光学浮区法生长 A:Al2O3晶体, 生长工艺对晶体质量起着决定作用. 卤素灯输出功率、旋转速率、生长速率不合适, 都会导致气泡、小角度晶界、溶质尾迹等宏观缺陷, 甚至导致晶体生长不顺利. 调整和优化工艺参数, 可以减少甚至消除宏观缺陷, 从而提高晶体透光率. 为了研究生长工艺对A:Al2O3晶体晶体缺陷的影响, 将A:Al2O3晶体沿生长方向和垂直于生长方向进行切割、打磨、抛光, 通过 X射线衍射仪(BRUKER-D8)、扫描电镜(FEI Quanta200)、偏光显微镜(“Olympus” BH-2)对晶体进行缺陷观察.2.1 小角度晶界晶体由高温到室温的冷却过程中, 晶体的位错受热应力的作用而重新排列为有序组态(多边化过程), 从而形成小角度晶界. X射线双晶摇摆曲线可以反映晶体中位错密度、晶面弯曲、小角度晶界和镶嵌结构等信息. 为了对晶体完整性进行表征, 测试了沿晶体生长方向晶片的 X射线双晶摇摆曲线,如图 3所示. 曲线的半峰宽值(full width at half maximum, FWHM)为0.121°, 主峰左侧有一次峰引起的肩, 这是由于晶体中存在小角度晶界镶嵌所致,小角度晶界两侧的晶体绕(001)轴相对转动约0.10o.在此镶嵌结构中, 由于晶界两侧的晶粒取向不一致,导致 Bragg衍射角度不同, 从而使摇摆曲线出现了一个主衍射峰和一个次峰. 小角度晶界是晶体中普遍存在的一种缺陷. 它的能量主要来源于形成位错的能量和将位错排成有关组态所做的功, 位错密度又决定于晶粒间的位相差, 小角度晶界能γ与位相差θ的关系:图3 光学浮区法生长Cr:Al2O3晶体(0012)面的摇摆曲线Fig. 3 (0012) rocking curve of Cr:Al2O3 single crystal grown by floating zone method其中: γ0=Gb/4π(1−υ)为常数, 它取决于材料的切变模量G、Poison比υ和Burgers 矢量b; A为积分常数, 取决于原子的错排能. 由公式(1)可知, 小角度晶界的晶界能随位相差增大而增大[17-18]. 对于光学浮区法生长 A:Al2O3晶体, 小角度晶界的形成主要是位错在热应力激发下发生移动, 不在同一滑移面上的位错, 由于它们的应力场之间的交换作用, 而使得它们终止在平衡位置, 最后排成一列而形成小角度晶界[19]. 小角度晶界的存在破坏了晶体的结构完整性, 在薄膜生长过程中小角度晶界会继承到薄膜中导致薄膜质量下降. 合理地设计固−液界面形状以及冷却和退火过程中的降温速率可以有效降低小角度晶界.2.2 包裹体包裹体是光学浮区法生长 A:Al2O3晶体中最常见的缺陷. 包裹体主要是溶解在熔体中的氧气和多晶料棒中氧离子转化成的气泡, 如图 4(a)所示. 气泡的形成主要与晶体生长温度有关. 生长温度较低时, 这些气泡主要集中在晶体中央, 晶体边缘部位很少有这种气泡, 并且随着加热功率增加而向中心收缩. 提高加热功率, 可以得到气泡很少的晶体.气泡的减少机制, 主要与溶质的溶解度和熔区的对流有关. 晶体生长过程中, 熔体依靠对流来加热,氧气被夹杂进入了熔体之中. 当熔体温度较低时,氧气被包裹在熔体之中形成气泡, 而当熔体温度较高时, 对流速度较快, 氧气能够快速扩散出熔体.在晶体生长过程中, 由于气泡在固体中的溶解度小于在液体中的溶解度, 气泡在固-液界面逐渐聚集,成核, 生长, 并最终凝固在晶体之中. 图 4(b)为图4(a)局部放大的照片, 在图 4(b)可以看见球形的气泡和两个小气泡. 在晶体剖面的 SEM 照片中还可以看到一条宽度大约为8 μm的裂纹、气泡和裂纹,表明当加热功率较小时, 晶体质量较差.图4 A:Al2O3晶体横切面的SEM照片Fig. 4 SEM images of the cross-section of A:Al2O3 crystal此外, 包裹体的形成还与晶体生长速率和旋转速率有关. A:Al2O3晶体生长实验发现, 当生长速率为5 mm/h, 旋转速率为15 r/min时, 晶体中有包裹体出现. 包裹体多为浑圆形, 也有部分呈圆形, 直径一般为十几个微米, 如图 5(a)所示. 将生长速率降为3 mm/h, 将旋转速率提高为30 r/min时, 晶片中有很少的气泡, 如图 5(b)所示. 晶体生长时, 籽晶棒和原料棒的旋转对熔体起搅拌作用, 能够减少扩散层厚度, 增加径向温度的对称性, 改变固-液界面的形状. 转速较小时, 自然对流占主导作用, 易形成凸界面, 气流沿石英管壁上升并从固液界面中心向熔体扩散, 气泡容易被截留; 转速较大时, 熔体中心的热流体上升, 强迫对流占主导作用, 易形成凹界面, 气流从固−液界面中心向边缘扩散. 光学浮区法生长A:Al2O3晶体过程中, 当转速较慢时,气体来不及扩散而成核进入晶体, 从而形成晶体中的气泡; 当降低生长速率, 增加旋转速率时, 气体能够及时向熔体中扩散, 在界面周围不容易达到饱和状态, 因而不能进入晶体. 因此, 可以通过降低生长速率, 增加旋转速率, 强迫气体扩散, 减少气体包裹物的出现.2.3 胞状组织图5 A:Al2O3晶体中的包裹物Fig. 5 Inclusions in A:Al2O3 crystals(a) Growth rate: 5 mm/h, rotate rate: 15 r/min; (b) Growth rate: 3 mm/h rotate rate: 30 r/min图6分别显示在生长速率为3 mm/h, 旋转速率为15 r/min条件下制得的A:Al2O3(A=Cr,Fe,Ni)晶体横切面在偏光显微镜下的形貌图. 由图 6可以看见Cr:Al2O3晶体呈现由中心向四周放射的辐条结构,而Fe:Al2O3和Ni:Al2O3晶体横切面则呈现如同山脊一样的结构, 这种组织结构即为胞状组织(Cellular Structure), 黑点即为胞状组织的接头处. 胞状组织是由于固−液界面温场的扰动引起的, 并且首先在晶体中心形成, 随后向四周扩散[20]. 在晶体生长过程出现组分过冷后, 晶体生长平坦界面遭到破坏,从而转变为胞状界面. 胞状界面达到稳定的形状后,晶体生长将是此稳定的胞状界面以恒速向熔体中推进. 胞状界面是由网状的沟槽分割开来的胞, 沟槽中的浓度较大, 而胞状体突出的顶部部分, 杂质浓度较低. 在这样的界面向熔体推进时所长成的晶体,其中溶质浓集; 而相应于胞中心所长成的晶体, 其中溶质贫乏. 在这样的晶体中, 柱面的溶质浓集的边界将晶体划分成许多柱体. 这种由浓集的溶质所勾划出来的亚组织即为胞状组织[20]. 根据Cockayne等的描述, 在光学浮区法生长晶体过程中, 胞状组织明显受旋转速率的影响[5]. 对于A:Al2O3晶体, 胞状组织的出现表明, 当生长速率为5 mm/h, 旋转速率为 15 r/min时, 熔体的实际温度低于凝固点, 熔体处于组分过冷状态. 当生长速率为3 mm/h, 旋转速率为 30 r/min时, 组分过冷得到了有效抑制, 生长的A:Al2O3晶体经抛光后没有发现胞状组织.2.4 溶质尾迹光学浮区法生长 A:Al2O3晶体过程中容易形成胞状界面, 在胞状界面相邻的胞间沟槽内, 充满了溶质浓集的熔体, 如果组分过冷严重, 则沟槽加深.在沟槽深处虽然温度较低, 但其中溶液浓度较高、溶液的凝固点较低而保持液态. 当生长工艺的参数起伏时, 有可能将这些浓度较高、凝固点较低的溶液封闭在晶体中. 沟槽中浓度较高的熔体, 在晶体中的温度梯度作用下, 将沿着温度梯度方向爬行.爬行的结果造成了晶体中溶质的再分布, 在爬行的路径上留下了溶质浓集的痕迹, 即为溶质尾迹(Solute trails)[20]. 当晶体生长速率较快时, 这些熔体爬行的速率跟不上晶体生长速率, 最终凝固在晶体之中构成溶质沉淀[21]. 图7为生长速率为3mm/h,旋转速率为20 r/min时所生长的A:Al2O3晶体沿生长方向晶片在偏光显微镜下的照片, 可以看到粗大的溶质尾迹布满晶体. B. Cockayne发现提拉法生长的红宝石晶体时, 即使不纯物质浓度小于 10-5, 溶质尾迹依然与晶体生长过程中不纯物质有关[22]. 对于光学浮区法生长 A:Al2O3晶体, 其不纯物质可能为空气中的N2和O2. 在高温条件下, 这些气体通过扩散进入熔体之中, 即使这些气体的含量在熔体中非常低, 但足以导致熔体分凝系数的改变. 所以,光学浮区法生长的 A:Al2O3晶体, 溶质尾迹可能与气体溶入熔体之中自发成核有关. O2在固−液界面的不平衡分布或者氧缺位都有可能造成溶质尾迹这种缺陷. 关于光学浮区法生长 A:Al2O3晶体, 溶质尾迹的形成机制有待进一步研究.3 性能测试3.1 吸收光谱图6 A:Al2O3晶体中的胞状组织Fig. 6 Cellular structures observed inA:Al2O3 crystals(a) Cr:Al2O3, (b) Fe:Al2O3, (c) Ni:Al2O3, growth rate:3mm/h, rotate rate:15 r/min图7 A:Al2O3晶体中的溶质尾迹Fig. 7 Solute trails observed in A:Al2O3 crystals(a) Cr:Al2O3, (b) Fe:Al2O3, (c) Ni:Al2O3, growth rate: 3 mm/h, rotate rate: 20 r/min采用分光光度计(Shimadzu: UV-3600 PC)对A:Al2O3晶体进行了光谱测量, 波长范围为200～800 nm,如图8所示. 从图8(a)可以看出, 波长411和558 nm有Cr:Al2O3晶体的特征吸收波峰, 分别对应于4A2→4F1和4A2→4F2的能级跃迁. 同时在波长 672和 695 nm也有两个吸收峰, 对应于2E(G)→4A2(F)的能级跃迁. 而在紫外波段, 在251 nm处有一个主要的吸收峰和在209 nm处的一个小峰, 分别对应于在红宝石晶体中 F和 F+色心吸收峰[23-24]. 对于Ni:Al2O3晶体, 波长为279和403 nm处有两个较强的吸收峰, 分别对应于自旋允许的跃迁, 即从基态3A2g(3F)到三重轨道态 3T1g(3P)和 3T1g(3F)的跃迁. 同时, 在 726 nm处有一小峰对应于自旋禁止的跃迁,即从基态到 1T2(1D)的跃迁[25]. 与 Cr:Al2O3和Ni:Al2O3晶体的吸收光谱图不同, Fe:Al2O3晶体表现出不一样的吸收光谱图, 如图 8(c)所示. 可以看出, Fe:Al2O3晶体在300 nm处有一较强的吸收边, 吸收峰位于210 nm处, 并且在300～800 nm波长范围内, Fe:Al2O3晶体具有良好的透光性.图8 A:Al2O3晶体的吸收光谱Fig. 8 Absorption spectra of the A:Al2O3 singlecrystals at room temperature3.2 荧光光谱Cr:Al2O3晶体样品通过激光荧光光谱仪(Princeton Instruments-Acton SP 2750)固体激光器在350nm波长激发下测得荧光光谱. 图 9为不同 Cr3+掺杂量的Cr:Al2O3晶体的荧光光谱. 可以看出, Cr:Al2O3在697和698 nm有两个主要的荧光发射峰,这两个主峰是所谓拉曼线 R1和 R2, 对应于2E(G)→4A2(F)的跃迁. 主峰旁边有一些很弱的小峰即是所谓的N线和边带[13,24]. 同时, 可以发现697和698 nm峰的峰强随着Cr3+掺杂浓度的增加而逐渐增强.3.3 介电性能为了测量晶体的介电性能, 样品沿生长方向切割成厚度约为1 mm的圆片, 两个大面喷金作为导电极, 通过精密阻抗分析仪(HP 4284A)测试了介电系数和介电损耗与温度的依赖关系. 样品通过加热炉加热, 样品温度由靠近样品的热电偶测定, 升温范围为25～400℃. 图10为A:Al2O3晶体的介电温谱,可以看出, 介电系数εr和介电损耗tanδ随温度变化平稳, 表明 A:Al2O3在此温度范围内具有良好的温度稳定性. 表 2为 A:Al2O3晶体室温下在不同频率下的介电系数εr和介电损耗tanδ. 可以看出, A:Al2O3晶体在室温 1000 kHz下具有较高的介电系数εr(12.1～15.7)和较小的介电损耗tanδ (0.0020～0.0002).图9 Cr:Al2O3晶体的荧光光谱Fig. 9 Fluorescence spectra of the Cr:Al2O3 single crystals, the concentrations of Cr3+ were 0.1wt%, 0.3wt%, 0.5wt%, 1.0wt%, 1.5 wt%, respectively图10 A:Al2O3晶体的在1 MHz下的介电温谱Fig. 10 Dielectric constant εr and the loss tangent tanδ of A:Al2O3 crystals as a function of temperature at 1 MHz表2 室温下A:Al2O3晶体的介电系数εr和介电损耗tanδTable 2 Dielectricparameters of A:Al2O3 crystals measured at room temperatureFrequency/ kHz εr tanδ εr tanδ εr tanδ Cr:Al2O3 Fe:Al2O3 Ni:Al2O3 1 15.485 0.0273 12.259 0.0341 12.115 0.0590 10 15.458 0.0008 12.596 0.0143 12.313 0.0161 100 15.420 0.0005 12.348 0.0077 12.115 0.0058 1000 15.664 0.0002 12.274 0.0028 12.071 0.00124 结论采用光学浮区法生长了φ(6～8)mm×(60～80)mm的A:Al2O3晶体. 晶体的生长方向为 <001>方向, X射线双晶摇摆曲线表明A:Al2O3 晶体具有良好的晶体质量. 通过X射线衍射、扫描电镜、偏光显微镜研究了 A:Al2O3晶体中的小角度晶界、包裹体和溶质尾迹等缺陷, 研究表明调整和优化工艺参数, 可以减少甚至消除宏观缺陷. 对 A:Al2O3晶体的吸收光谱、介电性能和Cr:Al2O3晶体的荧光光谱进行了测试, A:Al2O3晶体表现出较高的介电系数εr(12.1～15.7)和较小的介电损耗tanδ (0.002～0.0002).参考文献:【相关文献】[1] Song C, Hang Y, Xia C, et al. 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Growth of Tm: Ho: YVO4 laser single crystals by the floating zone method. J. Cryst. Growth, 2000, 212(1/2): 204−210.[8] Yan X, Wu X, Zhou J, et al. Growth of laser single-crystals Er:YVO4 by floating zone method. J. Cryst. Growth, 2000, 220(4): 543−547.[9] Gu G, Takamuku K, Koshizuka N, et al. Large single crystal Bi-2212 along the c-axis prepared by floating zone method. J. Cryst. Growth, 1993, 130(1/2): 325−329.[10] Fujii T, Watanabe T, Matsuda A. Single-crystal growth of Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ (Bi-2223) by TSFZ method. J. Cryst. Growth, 2001, 223(1/2): 175−180.[11] Saito M. Growth process of gas bubble in ruby single crystals by floating zone method. J. Cryst. Growth, 1986, 74(2): 385−390.[12] Saito M. Gas-bubble formation of ruby single crystals by floating zone method with an infrared radiation convergence type heater. J. Cryst. Growth, 1985, 71(3): 664−672. [13] Guguschev C, Gotze J, Gobbels M. 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Re：YCOB系列晶体的生长及其性能研究的开题报告

Re：YCOB系列晶体的生长及其性能研究的开题报
告
尊敬的评审专家：
本人拟以“YCOB系列晶体的生长及其性能研究”为课题进行开题报告，希望得到您的指导和支持。

背景介绍：
YCOB系列晶体是近年来发展起来的一种新型光学晶体，由氧化物组成，具有良好的物理特性和应用前景。

该系列晶体的具体成分为
YCa4O(BO3)3和Y4Ca(OH)2(BO3)3两种，其中前者主要应用于二次谐波产生领域，后者则主要用于光学波导等领域。

研究意义：
YCOB系列晶体的应用前景非常广阔，具有很高的研究和应用价值。

本课题旨在研究其生长过程及其对晶体性能的影响，进而探索YCOB系列晶体的制备条件和性能特点，从而为其应用的进一步发展提供理论和实
验基础。

研究方法：
（1）利用高温熔融法制备YCOB系列晶体；
（2）采用X射线衍射、扫描电子显微镜、荧光光谱等手段对晶体结构、成分、表面形貌、光谱学特性等进行表征；
（3）对晶体进行物理性能测试，如光学折射率、非线性光学特性等。

研究预期结果：
（1）研究YCOB系列晶体高温熔融法生长条件；
（2）分析晶体表面形貌和光谱学特性；
（3）研究晶体的物理性能，并探索其在二次谐波产生和光学波导等领域的应用前景。

以上为本人开题报告的主要内容，希望能够得到评审专家的认可和指导，谢谢！。

v2o5晶胞结构

v2o5晶胞结构
v2o5晶胞结构是一种具有缺陷的晶体结构，属于单斜晶系。

在晶胞中，存在由正四面体构成的vo4基元和由六面体构成的vo6基元。

它们交替排列，形成稳定的结构。

晶胞中每个vo4基元周围环绕着四个vo6基元，而每个vo6基元周围环绕着三个vo4基元。

这种排列方式使得晶体具有良好的稳定性。

每个vo4基元由一个钒离子（V）和四个氧离子（O）组成，形成了一个正四面体结构。

在晶胞中，这些正四面体结构沿着b轴方向依次排列。

每个vo6基元由一个钒离子（V）和六个氧离子（O）组成，形成了一个八面体结构。

在晶胞中，这些八面体结构沿着a轴和c轴方向交错排列。

v2o5晶胞结构中的缺陷主要包括缺失和插入。

缺失是指晶格点中的一些原子缺失，而插入则是指在晶格点中插入了其他原子。

这些缺陷在晶体中形成了局部的电荷不平衡，导致了一些特殊的电学和光学性质。

总之，v2o5晶胞结构是一种由vo4和vo6基元交替排列而成的单斜晶体结构。

它具有复杂的缺陷特征，这些缺陷导致了一些特殊的性质。

Cr4+∶YAG晶体的生长与缺陷分析

摘要作为ｌｕｍ波段应用的最广泛的调Ｑ开关之一，Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体具有较高的热导率和激光损伤阈值。

本论文采用中频感应提拉法生长双掺钙镁离子的Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体，通过温场系统、生长工艺参数的优化，克服了晶体大侧心的内部缺陷，并且通过改用自动化生长设备，晶体直径达到５０ｍｍ，且外形控制理想；通过对Ｃｒ¨：ＹＡＧ晶体的内部缺陷（大侧心、针状物等）及其吸收系数的表征，探讨了Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体制备工艺参数对其质量和性能的影响。

通过对Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ离子掺杂浓度和比例的优化和大气退火工艺，减小了晶体纵向和径向吸收系数的梯度。

生长试验表明：Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体中的内部缺陷和吸收系数不稳定同温场的温度梯度和掺杂比例等因素有关。

关键词：Ｃｒ４＋：ＹＡＧ提拉法晶体生长退火吸收系数ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓｏｎｅ妇ｄｏｆｔｈｅＱ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｈａｔｍｏｓｔｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎ１Ｉ．ｔｍ—ｂａｎｄ．Ｃｒ’＋：ＹＡＧｃｒｙｓｔａｌｓｐｏｓｓｅｓｓａｈｉｇｈｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ）ｒａｎｄｌａｓｅｒｄａｍａｇｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，Ｃｒ４十：ＹＡＧｃｒｙｓｔａｌＣＯ—ｄｏｐｅｄｗｉｔｈＣａ＋ａｎｄＭ９２＋ｗａｓｇｒｏｗｎｂｙｔｈｅＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｍｅｔｈｏｄｉｎｄｕｃｔｅｄｂｙｍｅｄｉｕｍ行ｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｉｎｓｉｄｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｉｔｓｌａｒｇｅｌａｔｅｒａｌｈｅａｒｔｗｅｒｅｏｖｅｒｃａｍｅｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｇｒｏｗｔｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ５０ｎｍＷａｓｇｒｏｗｎｕｓｉｎｇｔｈｅａｕｔｏｍａｔｅｄｇｒｏｗｔｈｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｏｕｒＷａｓｉｄｅａｌ．ＴｈｅｇｒｏｗｔｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＣｒ４＋：ＹＡＧｃｒｙｓｔａｌＷａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓｄｅｆｅｃｔｓａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．ＴｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌａｎｄｒａｄｉａｌｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｆａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｅｒｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｄｏｐｉｎｇｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣｒ，Ｃａ，ＭｇｉｏｎｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅａｎｎｅａｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｉｄｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｕｎｓｔａｂｌｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎＣｒ’＋：ＹＡＧｃｒｙｓｔａｌｗｅｒｅｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｄｏｐｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃ，：ＹＡＧｅｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈａｎｎｅａｌｉｎｇａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｅｉｅｎｔＩＩ目录摘要……………………………………………………………………………………………………………………………………ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………………………………………………………………………………………ＩＩ目录…………………………………………………………………………………………………………………………………ＩＩＩ第一章绪论……………………………………………………………………………………………１１．１：；Ｉ言………………………………………………………………………………………………………………………………１１．２固体激光材料的概述……………………………………………………………………………１１．２．１基质材料…………………………………………………………………………………．．２１．２．２激活离子…………………………………………………………………………………．２１．３Ｃｒ”：ＹＡＧ晶体研究背景…………………………………………………………………………３１．４Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体国内外研究现状…………………………………………………………………４１．５本论文的研究目的及意义………………………………………………………………………．５１．６本论文的主要内容………………………………………………………………………………６第二章Ｃ，：ＹＡＧ晶体的结构及其调Ｑ特性…………………………………………………………．７２．１Ｃｒ“：ＹＡＧ晶体的结构……………………………………………………………………………．７２．２Ｃｒ牡：ＹＡＧ晶体的调０特性原理…………………………………………………………………９２．２．１调Ｏ原理…………………………………………………………………………………９２．２．２ｃｒ’＋：ＹＡＧ被动调Ｑ机理………………………………………………………………．．１２第三章Ｃｒ４＋：ＹＡＧ调Ｑ激光晶体的生长及退火………………………………………………………１７３．１Ｃｒ舢：ＹＡＧ晶体生长方法…………………………………………………………………………ｌ７３．２Ｃｒ舢：ＹＡＧ晶体的生长装置……………………………………………………………………．．１７３．３Ｃｒｐ：ＹＡＧ晶体生长的过程工艺………………………………………………………………。

第二章缺陷-3

非化学计量化合物非化学计量化合物：在化学组成上偏离化学计量，不同原子的数量不是一个简单的固定比例TiO2-x Fe1-x Oz几乎所有晶体都偏离理想化学计量，但有较大程度偏差的化合物并不多z非化计量缺陷容易出现在具有易变价的阳离子形成的化合物中z热缺陷：由晶格热起伏引起z杂质缺陷：由外来杂质引起z非化学计量化合物：由于组成（气氛、环境影响）而引起的缺陷－产生组分、电荷缺陷及色心非化学计量化合物的特点：1）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关2）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体3）缺陷浓度与温度有关4）非化学计量化合物都是半导体非化学计量缺陷的四种类型1、阴离子缺位，TiO2-x ZnO1-x2、阳离子填隙，Zn 1+x O Cd1+x O, Cr2+x O33、阴离子填隙，UO2+x4、阳离子缺位，Co1-x O Ca1-x O Cu2-x O一、负离子空位型TiO2、ZrO2)，从化学计量的角度，二氧化钛(TiO2－X晶体中氧不足，即存在氧空位；而从化学的观O3在TiO2中的固溶体点来看，为Ti2二氧化钛晶体中，氧不足，为保持电中性，组分缺陷使部分Ti4＋降价Ti3＋，即Ti4＋得到一个电子变成Ti3＋，此电子不属于某一个特定的钛离子，可看作是在负离子空位的周围，束缚了过剩电子，以保持电中性二氧化钛非化学计量缺陷反应方程为222231/2Ti O O TiO Ti V O O ••′⎯⎯→++−OO Ti O Ti O O V i T O Ti 32/12422+++′⎯→⎯+••22/122O V i T O Ti O Ti O Ti ++′⎯→⎯+••等价于22221/2Ti O Ti OTi O Ti e V O ••′+⎯⎯→+++221/2O O O e V O ••′⎯⎯→++失去氧，氧不足22/12O V e O O O ++′⎯→⎯••21/22[][],[]O O O V e p SO K O ••′=][2]['V e O ••=[O O ]基本不变6/121][O O p V ∝••故二氧化钛的非化学计量对氧分压较敏感，烧结含二氧化钛的陶瓷时，要注意氧气分压气氛，失O氧离子空位束缚2准自由电子，准自由电子（非定域）与邻近钛离子相连，使其变价，但不特属特定钛原子在E作用下，准自由电子可以从一个Ti4＋转移到另一个Ti4＋形成电子电导――N型半导体当晶体中存在0.5%的4价钛离子被还原为3价，则其电阻率将下降105－107数量级现象：TiO2在还原气氛下由黄色变为灰黑色：原因：晶体内形成色心使晶体着色TiO2-x 结构缺陷在氧空位上捕获两个电子，成为一种色心。