论文部分内容阅读
功能晶体材料在电子信息、航空航天、人工智能、生物医疗和储能等众多领域有着重要应用。然而,随着科学技术和社会的快速发展,现有的功能晶体材料难以满足更高使役环境需求,因此探索新型的功能晶体材料具有重要意义。在各种无机功能晶体材料体系中,磷酸盐晶体由于具有丰富的结构类型、较宽的透过范围和良好的物理化学特性等优点一直备受关注,目前已开发的磷酸盐晶体可达上千种。为开发新型磷酸盐晶体材料,本论文以硅铋石结构的磷酸盐晶体为研究对象,开展了ReM3（PO4）3（Re:La、Nd、Gd、Y和Yb;M=Sr和Ba）系列晶体及其稀土离子（Nd3-、Yb3+、Tm3+和Er3+）掺杂晶体的探索生长,系统研究了该系列晶体的力学、热学、激光和压电等性能,探索了该系列晶体在超短脉冲激光和压电声波器件领域的应用潜力。主要研究内容和结论如下:（1）ReM3（PO4）3系列晶体的探索生长和基本性能研究通过组分设计、温度场调控和生长工艺参数优化,采用提拉法成功生长了厘米级（～Φ20×30mm3）和较高品质的ReM3（PO4）3（Re=La、Nd、Gd、Y和Yb;M=Sr和Ba）系列晶体及其稀土掺质的晶体,获得了生长优质单晶的关键工艺参数。采用单晶X射线衍射仪,对生长的YSr3（PO4）3、GdSr3（PO4）3、LaBa3（PO4）3、NdBa3（PO4）3、GdBa3（PO4）3、YBa3（PO4）3和YbBa3（PO4）3晶体进行了单晶结构解析。结果表明所生长的ReM3（PO4）3系列晶体均属于立方晶系,43m点群,其结构由孤立的PO4四面体及共边连接的Re/MO6八面体组成,且阳离子Re3+和M2+以1:3的比例随机分布在同一格位上,导致该系列晶体具有无序型结构。全面表征和分析了ReM3（PO4）3系列晶体的基本物理性质,包括力学和热学性质（比热、热膨胀、热扩散和热导率）以及光学特性（紫外可见漫反射光谱、透过光谱、折射率和激光损伤阈值）等,为后续其光电器件的设计和研制奠定了良好的基础。（2）稀土离子掺杂的ReM3（PO4）3晶体的光谱和激光特性研究研究了0.5mol%Nd3+离子掺杂的YBa3（PO4）3、YSr3（PO4）3和GdSr3（PO4）3晶体的吸收光谱、荧光光谱和连续激光特性。研究发现,Nd3+离子掺杂的ReM3（PO4）3系列晶体具有较宽的吸收光谱半峰宽（～21nm@804nm）和发射光谱半峰宽（～22nm@1060nm）,远大于传统的有序激光晶体材料,与钕玻璃相当,在超短脉冲激光和可调谐激光领域具有良好的应用潜力。此外,采用Judd-Ofelt理论计算和分析了三种晶体相应的光谱参数,并初步实现了该系列晶体在1μm波段的连续激光输出。系统研究了6mol%Yb:YSr3（PO4）3（Yb:YSP）晶体的吸收光谱、荧光光谱和连续激光性能。光谱结果表明,Yb:YSP晶体在室温下的最强吸收峰位于976nm处,其对应的吸收截面为1.31×10-20cm2。而且该晶体具有较宽的发射光谱半峰宽和较长的荧光寿命,其值分别为55 nm（@1013 nm）和1267μs,表明Yb:YSP晶体在超短脉冲和调Q激光等领域具有潜在的应用价值。进一步研究发现,Yb:YSP晶体能够实现较为稳定的双波长激光输出,其频率差为2.2 THz,有望应用于太赫兹光源方面。对5 mol%Tm:YSr3（PO4）3（Tm:YSP）晶体的吸收光谱和发射光谱进行了表征和研究。光谱结果表明,Tm:YSP晶体在792 nm处具有较强的吸收峰和较宽的半峰宽（～21 nm）,能够很好的与商业化的LD泵浦源波长相匹配,有利于提高泵浦效率。而且该晶体具有宽的发射光谱半峰宽,其值约为201 nm,对应的中心波长为～1800nm。综上分析可知,Tm:YSP晶体在2 μm波段的超短脉冲和可调谐激光领域具有潜在的应用前景。对30 mol%Er:YSr3（PO4）3晶体的吸收光谱和发射光谱进行了表征和研究。研究发现,Er:YSr3（PO4）3晶体在974nm处具有较强的吸收峰,且其半峰宽约为18 nm,能够很好的与目前商业化的InGaAs LD泵浦源相匹配,有利于泵浦光的吸收。除此之外,Er:YSr3（PO4）3晶体在2600～3500 nm波段范围内具有较宽的发射光谱,其半峰宽约为140 nm,有利于超短脉冲激光的产生。（3）ReM3（PO4）3系列晶体的压电性能研究采用谐振法、平衡电桥法结合超声法确定了 ReM3（PO4）3（Re=La、Nd、Gd、Y和Yb;M=Sr和Ba）系列晶体室温下的全套电弹常数,并研究了 ReBa3（PO4）3系列晶体在25～800℃范围内电弹常数的温度依赖性。结果表明,该系列晶体的电弹常数具有较好的温度稳定性,在高温压电领域具有潜在的应用前景。探讨了 ReBa3（PO4）3（Re=La、Nd、Gd、Y和Yb）系列晶体的构效关系。研究发现该系列晶体的介电和压电性能主要与晶体中多面体畸变和偶极矩大小有关。相关结果为后续开发综合性能优异的压电晶体材料提供了新思路。（4）压电振动模态分析和器件研制采用有限元分析,研究了该系列晶体的面切变振动模式d36,设计了兼具高压电活性和纯振动模态的压电灵敏切型（Z/0°）并试制了YSr3（PO4）3基d36型零阶水平剪切波（SH0）压电换能器原型器件,有限元仿真分析和实验结果均表明该换能器能够在较宽的频率范围内（300～500kHz）沿四个主方向上（0°、90°、180°和270°）激励出单模态SH0波,也可以作为传感器检测SH0波,在高温结构健康监测领域具有潜在的应用价值。以高温压电加速度传感器为试制对象,研究了 YbBa3（PO4）3晶体的纵向伸缩振动模式d33和厚度切变振动模式d26,设计了兼具高压电活性且低串扰响应的晶体切型,即分别为（ZXtl）45°/55°和（YXl）45°。基于最优晶体切型,构筑了压缩式和切变式高温压电加速度传感器原型器件,在25～650℃温度范围内获得了较为稳定的动态传感信号输出,其灵敏度变化率＜10%。相关研究工作开发了该系列晶体在高温压电传感领域的新应用。