Re-CNGS(Re=Nd,Er,Tm)晶體的生長以及結(jié)構(gòu)性能的研究.pdf

1、壓電晶體制成的（高溫）壓電傳感器、聲波器件在航空航天、雷達(dá)、通訊導(dǎo)航和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但是目前商業(yè)化的石英、鈮酸鋰等晶體，受制于其較小的機(jī)電耦合系數(shù)，較差的高溫介電和壓電性能穩(wěn)定性，較大器件插入損耗等局限，難以滿足各行業(yè)飛速發(fā)展的新需求。在硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，LGS)系列晶體中，CNGS(Ca3NbGa3Si2O14)晶體表現(xiàn)出良好的壓電性能、光學(xué)性能和熱學(xué)性能，是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的多功能復(fù)合材料。研究

2、者們目前的方向主要是探索其在壓電傳感器件以及稀土摻雜后在固體激光器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。除了對其性能的表征，針對其功能基元，性能與晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，稀土摻雜的影響規(guī)律的研究，相對較少。如果能進(jìn)一步的，從較深的層次提出和解決相關(guān)問題，可為設(shè)計(jì)和生長性能優(yōu)良的功能晶體提供預(yù)測和指導(dǎo)，從而設(shè)計(jì)和獲得性能更好的壓電和激光材料。
　　本論文探究了稀土摻雜Re∶ Ca3NbGa3Si2O14晶體的提拉法生長工藝，就稀土離子的摻雜對于晶體

3、壓電性能以及微觀電子結(jié)構(gòu)的影響展開了一系列研究，并且通過第一性原理計(jì)算的方法進(jìn)一步研究了CNGS晶體的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。
　　1)使用提拉法，生長系列摻雜濃度的Nd3+∶ Ca3NbGa3Si2O14(Nd3+∶ CNGS)晶體，以及Er3+∶ CNGS、Tm3+∶ CNGS晶體。通過設(shè)計(jì)并不斷調(diào)整提拉爐內(nèi)溫場的結(jié)構(gòu)，結(jié)合晶體生長動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論，最終獲得適于晶體生長的溫場和生長工藝。從而提高了單晶的生長質(zhì)量，降低了晶體內(nèi)絮

4、狀包藏、開裂、色心、云層等缺陷的出現(xiàn)概率，成功獲得了無宏觀缺陷、高質(zhì)量的Re∶ CNGS單晶。晶體的生長方向?yàn)閄方向，尺寸范圍在Φ20～30mm×H45～60mm之間。
　　2)對Re∶ CNGS晶體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，測試了基本的熱學(xué)性能。X射線粉末衍射結(jié)果表明，生長所得Re∶ CNGS晶體與CNGS為同一物相，均屬三方晶系32點(diǎn)群。稀土離子摻雜之后，晶體的晶格常數(shù)減小。利用X射線熒光光譜儀，測試了Re∶ CNGS晶體中的實(shí)際摻雜濃

5、度，結(jié)果表明，10 at.％ Nd3+∶ CNGS中的實(shí)際摻雜濃度為6.93 at.％。測試分析了Re∶ CNGS晶體的熱膨脹系數(shù)、比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)以及熱導(dǎo)率，并與未摻雜的CNGS晶體進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，稀土離子參與晶體生長有使晶體的熱膨脹系數(shù)增大，比熱減小，熱擴(kuò)散系數(shù)減小的趨勢。這也解釋了Re∶ CNGS晶體生長過程中易開裂的現(xiàn)象。
　　3)根據(jù)IEEE壓電測量標(biāo)準(zhǔn)，使用阻抗分析法，以CNGS晶體作為對照，對系列摻雜濃度Nd3

6、+∶ CNGS晶體的介電、壓電、彈性、機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因子分別進(jìn)行了測試。探究了高濃度摻雜的稀土元素對于晶體電彈性能的影響，并對其溫度依賴性以及零頻率溫度系數(shù)切型進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高摻雜濃度Nd3+∶ CNGS晶體(5 at.％，10 at.％)的電彈性能隨著摻雜濃度的提高產(chǎn)生了較明顯的變化。
　　在室溫到800℃的溫度范圍內(nèi)，對于10 at.％ Nd3+∶ CNGS壓電性能的溫度依賴性進(jìn)行了研究。晶體的介電常數(shù)￡T

7、l，介電損耗，壓電常數(shù)d11和彈性常數(shù)s11隨溫度的變化趨勢與CNGS一致，但是變化率有所增大。對于零頻率溫度系數(shù)切型的研究結(jié)果顯示，10 at.％的Nd3+∶ CNGS一階頻率溫度系數(shù)最小的切型出現(xiàn)在了Yxl(-30°)，溫度拐點(diǎn)為200℃，一階頻率溫度系數(shù)為12.73 ppm/℃，二階頻率溫度系數(shù)為-32.99 ppb/℃。相對于未摻雜的CNGS晶體，其最優(yōu)切型角度、頻率溫度系數(shù)都因?yàn)镹d3+∶ CNGS的摻雜發(fā)生了改變。