ZCTC晶体优化生长及新功能特性研究

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硫氰酸镉锌[ZnCd(SCN)4,简称ZCTC]晶体是一种重要的双金属硫氰酸盐配位化合物。在硫氰酸汞锰、硫氰酸汞镉、硫氰酸汞锌[MnHg(SCN)4、CdHg(SCN)4、ZnHg(SCN)4,分别简称 MMTC、CMTC、ZMTC]和 ZCTC 四种晶体中,ZCTC晶体截止波长最短,并且透光波段的范围最宽,在微型蓝紫光激光器领域具有广泛的应用价值。同时ZCTC是高度扭曲的非中心对称的晶体结构,且具有的-C=N-伸缩振动可产生大的拉曼频移(>2000cm-1),将有利于通过一阶斯托克斯直接获得高效的近中红外拉曼激光,使得ZCTC晶体具有更加卓越的功能应用,如压电和受激拉曼散射(SRS)。本论文以优化ZCTC晶体生长方法、探究ZCTC晶体新功能应用为目的,对ZCTC晶体生长溶液的稳定性、晶体的电弹性能和热学性能等进行了深入的探究,并结合第一性原理计算,使用Material Studio软件对四种晶体的结构进行了优化,计算了其弹性常数。1.ZCTC晶体的生长使用高纯的原材料合成了 ZCTC晶体原料,溶解后从溶液中采用恒温蒸发溶剂法和溶液缓慢降温法进行ZCTC晶体的生长。使用显微结晶的方法研究了ZCTC晶体在水溶液中的生长习性,确定了适合晶体生长的最佳pH值,对具有最佳pH值的ZCTC晶体的生长溶液进行了溶解度曲线的测定,并对生长溶液的稳定性进行了研究。实验表明,从水溶液中生长ZCTC晶体的最佳条件应控制pH值在3-5范围内,选择用降温法生长晶体时的生长温度区间定为30-50℃,使用恒温蒸发溶剂法进行晶体生长,晶体的尺寸可达到51×15×12mm3。在生长的ZCTC晶体中,发现了具有宏观二维成核生长的晶体。孪晶缺陷的存在主要归因于ZCTC晶体中,Cd(Ⅱ)离子,既可以与N原子配位,也可以与S原子配位,因而在ZCTC晶体的结构中可存在ZnN4、CdS4、CdN2S4三种畸变的多面体结构。2.ZCTC晶体的电弹性能及热学性能按照四方晶系4点群晶体物理学坐标轴的选轴原则,确定了用于弹性常数测定的晶体的切型,并测量了晶体的弹性常数及相对介电常数随频率的变化关系。ZCTC晶体具有适中大小的相对介电常数(ε11=8.97和ε33=9.31),较大的弹性柔顺常数(S33= 11.58 pm2/N,S44= 151.06 pm2/N 和 s12= 119.70 pm2/N)使用激光闪光法测量了 ZCTC晶体的热扩散系数,依据晶体的热膨胀系数,计算了不同温度下ZCCT晶体的密度,依据公式求得ZCTC晶体的热导率。ZCTC晶体的密度随温度升高而线性下降,沿[001]和[100]方向的热导率随温度由303K上升至423K时分别由1.3683和0.8469 W·m-1 ·K-1下降至0.8739和 0.5356 W m-1 ·K-1。3.理论计算采用 Material Studio 软件的 CASTEP 模块优化了 ZCTC、MMTC、CMTC和ZMTC四种晶体的晶体结构,计算了晶体的弹性常数,并结合ZCTC晶体的实测数据,对比了理论结果与实际结果的差异,分析了原因,为以后寻找更优的计算方法奠定了基础。
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