4英寸氧化镓单晶生长与性能

本文使用导模法(EFG)制备了4英寸氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,并对晶体物相、结晶质量、缺陷、光学及电学特性进行了研究。晶体不同方向劳厄(Laue)衍射斑点清晰一致,符合β-Ga₂O₃衍射特征。晶体(400)面摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为57.57″,通过化学腐蚀获得其腐蚀坑位错密度为1.06×10⁴ cm^-2。晶体在紫外截止边为262.1 nm,对应光学带隙为4.67 eV。通过C-V测试分析获得非故意掺杂晶体中的电子浓度为7.77×10¹⁶ cm^-3。     

不同直径Cr:Al2O3圆柱晶体的制备及其光学性能研究

采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体，并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度，分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示，Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明，Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm光)均显示，Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带，分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴     

Cs3Bi2I9晶体的生长及辐射探测性能

采用布里奇曼法成功制备出大尺寸(φ15 mm×50 mm)、高质量的全无机金属卤化物类钙钛矿Cs₃Bi₂I₉单晶。室温下,该晶体属于六方晶系,空间群为P6₃/mmc,密度为5.07 g/cm³,晶胞参数为a=b=0.840 nm,c=2.107 nm,熔点为632 ℃。采用粉末X射线衍射谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱、I-V测试等表征该晶体的性质。制备Au/Cs₃Bi₂I₉/Au三明治型器件结构,采用飞行时间技术测试Cs₃Bi₂I₉晶体的载流子迁移率,得到Cs₃Bi₂I₉晶体的电子迁移率为4.33 cm²·V^-1·s^-1。根据Hecht单载流子方程拟合得到Cs₃Bi₂I₉晶体的载流子迁移率寿命积(μτ)为8.21×10^-5 cm²·V^-1,并且在500 V偏压下对α粒子的能量分辨率达到39%。     

Y3+/Li+和Y3+/Na+双掺杂氟化钡快响应闪烁晶体

氟化钡(BaF₂)晶体是已知响应最快的闪烁晶体,在高能物理、核物理及核医学等领域有着广泛的应用前景。抑制BaF₂晶体的慢发光成分对其工程应用至关重要。本文利用坩埚下降法制备了高Y³⁺掺杂浓度5%、8%、10%(摩尔分数)的BaF₂晶体,并采用Y³⁺与碱金属离子(Li⁺、Na⁺)共掺杂的方法形成电荷补偿阻止间隙F^-的产生,制备了双掺杂型BaF₂快响应闪烁晶体,进而基于优化的5 ns和2 500 ns时间门宽测试方法,研究了Y³⁺掺杂浓度以及Y³⁺与碱金属离子(Li⁺、Na⁺)共掺杂浓度对BaF₂闪烁晶体快/慢成分比的影响规律。结果表明,生长的高浓度Y³⁺掺杂BaF₂晶体的光学质量优异,在220 nm和300 nm处透过率分别高于90%和92%;随着Y³⁺掺杂浓度由0提高至10%,BaF₂晶体的慢发光成分显著降低,快/慢成分比由0.15提高至1.21;生长的Y³⁺/Li⁺及Y³⁺/Na⁺共掺杂BaF₂晶体的慢发光成分较Y³⁺掺杂BaF₂晶体进一步降低,快/慢成分比最高分别可达1.63和1.61。研制的双掺杂BaF₂快响应闪烁晶体有望应用于高能物理、核物理前沿实验等重要领域。     

Er:Lu2O3单晶的导模法生长及性能表征

本文以高纯Lu₂O₃、Er₂O₃为原料,使用自主设计、制造的自动等径导模炉,采用导模法(EFG)生长了φ25 mm×20 mm的7.82%(原子数分数)Er:Lu₂O₃单晶,分凝系数为0.92,并探索了退火条件。X射线衍射仪(XRD)结果为纯相,X射线荧光光谱仪(XRF)结果证明杂质含量较低。利用吸收光谱计算在972 nm及1 535 nm附近的吸收截面,分别为3.24×10^-21 cm²、8.43×10^-21 cm²,半峰全宽(FWHM)分别为28.22 nm、27.31 nm。热学性能测试结果表明,在30 ℃时热导率为13.28 W·m^-1·K^-1。利用扫描电子显微镜(SEM)对晶体表面微观形貌进行了表征。     

多片导模法蓝宝石晶体的缺陷研究

使用导模法(EFG)生长了多片a面蓝宝石晶体。显微拉曼光谱结合电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测试得出晶体的气泡中可能存在含S化合物。晶体表面明显的生长条纹主要与温度、生长速度的波动以及模具的加工精度有关。化学腐蚀分析表明晶体位错密度在4.2×10⁴ cm^-2,未存在小角度晶界缺陷,双晶摇摆曲线半峰宽(FWHM)为70.63″。由于采用石墨保温材料,晶体中存在F心与F⁺色心。晶体在400~3 000 nm波段透过率高于80%,空气中退火后可减弱色心吸收。本文研究结果可为蓝宝石晶体缺陷形成理论研究提供参考,也可为导模法蓝宝石工业生产技术改进提供借鉴。     

钆钪铝石榴石单晶缺陷的微观形貌与成因研究

采用提拉法生长了2%Dy³⁺和1%Tb³⁺(原子数分数)共掺的钆钪铝石榴石激光晶体(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂, GSAG)。研究了晶体(111)晶面的腐蚀缺陷形貌并对缺陷形成机理进行了解释,讨论了晶体缺陷的特征形貌与晶体结构之间的关系。表征并计算了晶体(111)晶面的维氏硬度和莫氏硬度,在0.2 kgf载荷和10 s保荷时间条件下,晶体(111)面的维氏硬度为1 267 kg/mm²,对应的莫氏硬度为7.3。研究结果对揭示混晶石榴石晶体中缺陷的成因和探索高品质晶体生长与加工工艺具有一定的参考价值。     

双温区热扩散掺杂Fe2+∶ZnSe激光晶体的制备及激光输出性能

本文以CVD ZnSe晶片为基质材料,以FeSe粉末为掺杂物,采用双温区热扩散掺杂技术获得了尺寸为Ø22 mm×4 mm的Fe²⁺∶ZnSe激光晶体。通过二次离子质谱(SIMS)测试该晶体样品表面铁离子浓度为3.43×10¹⁸ cm^-3,并通过X射线光电子能谱(XPS)分析了晶体样品中铁元素的离子价态。采用UV/Vis/NIR分光光度计和傅里叶红外光谱仪测试了Fe²⁺∶ZnSe激光晶体的透过谱图。测试结果显示,在3.0 μm处出现了明显的Fe²⁺吸收峰,峰值透过率为5.5%。以波长为2.93 μm的Cr, Er∶YAG激光器为泵浦源,温度77 K时抽运尺寸10 mm×10 mm×4 mm的 Fe²⁺∶ZnSe晶体,获得了能量为191 mJ、中心波长4.04 μm的中红外激光输出,光光转换效率13.84%。     

多孔坩埚温度梯度法生长Ho,Y∶CaF2晶体及其光谱性能

采用自主设计改造的温梯炉,成功生长了不同浓度Ho³⁺、Y³⁺掺杂的CaF₂及Sr_xCa_1-xF₂晶体,晶体尺寸约为ϕ15 mm×55 mm,生长周期约为6 d,能够实现7种不同浓度晶体的同步生长,并选取其中的4%(原子数分数)Ho,4%Y∶CaF₂晶体进行分析,吸收测试表明,该晶体448 nm和643 nm处吸收峰的吸收截面分别是1.13×10^-20 cm²和0.84×10^-20 cm², J-O理论分析得到了晶场强度参数Ω_t(t=2、4、6)、辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射寿命。在448 nm氙灯激发下,经计算得到该晶体在546 nm、650 nm 和752 nm处的发射截面分别为10.450×10^-21 cm²、8.737×10^-21 cm²和5.965×10^-21 cm²,测得⁵F₄和⁵F₅能级的寿命分别为33.5 μs和17.7 μs。在640 nm LD泵浦激发下,经计算得到该晶体2 031 nm处发射截面为5.375×10^-21 cm²,2 847 nm处发射截面为10.356×10^-21 cm²,测得⁵I₇和⁵I₆ 能级的寿命分别为4.37 ms 和1.85 ms。以上结果表明,多孔坩埚温梯法能够大大提高激光晶体稀土离子掺杂浓度筛选的效率,加快新型激光晶体材料的研发速度。     

H2SO4-H2O中硝酸铜对脱硫石膏晶须生长的影响

以处理后的脱硫石膏为原料,在H₂SO₄-H₂O体系中以Cu(NO₃)₂为晶形控制剂采用水热法制备脱硫石膏晶须,探讨了Cu(NO₃)₂对脱硫石膏晶须生长的影响机理。结果表明:Cu(NO₃)₂对脱硫石膏有明显促溶作用,其中Cu²⁺可减小溶液中各离子的活度系数,使溶液中的Ca²⁺浓度增大。NO^-₃通过静电作用在Ca²⁺周围聚集并对SO^2-₄产生屏蔽作用,导致脱硫石膏继续溶解并使Ca²⁺和SO^2-₄的浓度处于相对稳定状态,有利于半水脱硫石膏晶体的形核与生长。此外,Cu²⁺还可在晶须的生长过程中选择性吸附在晶须表面,生成CuSO₄,促进了脱硫石膏的结晶生长,最终在Cu(NO₃)₂用量为2.0%(质量分数)时制备的脱硫石膏晶须长径比约为73。     

F-及SiF2-6对α型半水硫酸钙结晶成核及形貌的影响

本文模拟了半水法湿法磷酸生产过程中α型半水硫酸钙(α-HH)的结晶过程。在30%P₂O₅,反应温度95 ℃,过饱和度S=1.64~2.10条件下,通过浊度仪监测溶液中浊度变化,测定了不同F^-及SiF^2-₆浓度下α-HH结晶诱导时间,采用经典成核理论公式计算了α-HH的临界晶核半径及成核速率,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)表征分析了F^-及SiF^2-₆对α-HH结晶过程的影响。结果表明:随着F^-、SiF^2-₆浓度的升高,α-HH晶体的结晶诱导时间延长,表面能和临界晶核半径都增大,然而成核速率减小。当过饱和度S=1.64时,加入0.06 mol·L^-1 F^-,α-HH结晶诱导时间延长了465 s,成核速率减小到0.403×10²⁹ 晶核数·cm^-3·s^-1,然而,加入0.06 mol·L^-1 SiF^2-₆,α-HH结晶诱导时间延长了710 s,成核速率减小到0.339×10²⁹晶核数·cm^-3·s^-1。SiF^2-₆对α-HH晶体抑制成核作用大于F^-。F^-、SiF^2-₆阻碍了α-HH晶体沿C轴方向生长,使得晶体长径比减小,晶体形貌向短柱状变化。F^-、SiF^2-₆影响了α-HH晶体(200)、(310)、(400)晶面衍射峰强度和结晶度。控制半水法湿法磷酸中F^-及SiF^2-₆浓度水平,可以得到短柱状的α-HH晶体,有利于过滤洗涤。     

铁离子掺杂对铜铬黑颜料呈色性能的影响

为改善CuCr₂O₄黑色颜料呈色性能,将Fe³⁺掺杂进入CuCr₂O₄晶体中,采用共沉淀法制备CuCr_2-xFe_xO₄(x=0,0.04,0.05,0.06,0.07),并对所制备样品进行TG-DTA、XRD、SEM、Raman、XPS、UV-Vis吸收光谱和色度值的测试与表征。结果表明,Fe以三价态固溶进入Cr³⁺位置,未出现杂质相,得到的CuCr_2-xFe_xO₄晶粒细小、分散均匀。Fe³⁺掺杂可减小CuCr₂O₄的禁带宽度,从1.25 eV减小到1.08 eV,禁带宽度的减小是由于2p(O^2-)→3d(Fe³⁺)和Fe³⁺的d-d(⁶A_1g→⁴T_1g和 ⁶A_1g→⁴T_2g)电荷跃迁引起的。禁带宽度的减小使得黑色颜料对可见光(380~780 nm)的吸收率提高,L^*值减小,呈现出良好的黑度。得到的最佳黑色颜料为CuCr_1.95Fe_0.05O₄,L^*=17.63,a^*=-0.77,b^*=-1.61。     

基于Rietveld精修方法解析Bi2O3的原子热振动

三氧化二铋(Bi₂O₃)是氧离子导电体,为了获得它的原子热振动各向同性温度因子,对该粉末晶体进行X射线衍射实验,建立了晶体结构模型,利用Rietveld 精修方法的RIETAN-2000 程序对所得实验结果进行了晶体结构精修,通过最大熵方法(MEM)解析得到了粉末晶体的等高电子密度分布三维(3D) 和二维(2D)可视化图谱。结果表明,各原子Bi₍₁₎、Bi₍₂₎、O₍₁₎、O₍₂₎和O₍₃₎的原子热振动各向同性温度因子分别为0.004 938 nm²、0.004 174 nm²、0.007 344 nm²、0.007 462 nm²、和0.007 857 nm²,等高电子密度分布的可视化,进一步验证了晶体结构模型和原子位置的准确性,这些参数对研究晶体材料的热性质具有一定参考意义。     

钛宝石晶体的泡生法生长和闪烁发光性能

采用泡生法生长了115 kg级大尺寸钛宝石(Ti:Al₂O₃)晶体,晶体外形完整无开裂,制备了口径达φ300 mm的高质量大口径钛宝石单晶样品。在X射线和α粒子激发下测试了晶体的闪烁发光性能。结果表明,Ti:Al₂O₃晶体的闪烁发光包含近红外和近紫外发光。近红外发光来源于Ti³⁺特征发射,效率较高,衰减时间慢。近紫外发光来源于Ti局域激子发光和F⁺心发光,具有较快的衰减时间,其光输出与掺杂导致的自吸收有关。α粒子激发下,光产额达到1 130.5 pe/MeV,其中快成分光产额为29.6 pe/MeV。     

CsPbBr3单晶薄膜制备及其X射线探测性能研究

X射线探测在医疗、工业无损检测、国土安全等领域具有重要意义。制备高灵敏度的X射线探测器可以降低X射线剂量,在医疗和安检中至关重要。本文系统研究了采用空间限域法制备的高质量CsPbBr₃单晶薄膜,并用该薄膜制备出了性能良好的X射线探测器。借助偏光显微镜、扫描电子显微镜及其配备的能谱系统和背散射电子衍射系统对薄膜的形貌、厚度、成分和取向进行了分析。研究发现所制备的单晶薄膜表面平整、光滑,元素分布均匀,晶体取向均一。利用该薄膜制备的探测器具有较高电阻率(约7.23×10⁸ W·cm)和极高的灵敏度(约2 610 μC·Gy^-1·cm^-2)。     

稀土金属Ce3+掺杂ZnO材料的光催化机理

通过溶胶凝胶法制备了光催化活性更高的Ce∶ZnO复合粉体光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振(EPR)、紫外可见光谱(UV-Vis)技术对所制备的粉体样品的晶体种类及结构、自由基种类及含量、光催化效率进行表征分析。复合样品的X射线衍射测试结果显示,随着掺杂浓度的增加,先后检测到CeO₂的(111)和(200)晶面特征峰,且衍射峰强度逐渐增强。此外,适量的掺杂(c(Ce³⁺)=2%)可减小ZnO晶体的晶粒尺寸。电子顺磁共振测试结果显示,Ce∶ZnO复合光催化材料中存在三类自由基,分别是Zn-H络合物、正一价氧空位、CeO₂表面吸附的超氧根离子。紫外可见光谱测试表明,适量的掺杂可有效提高ZnO催化剂的光催化活性,综合分析显示,ZnO光催化活性提高的主要原因是Ce³⁺的掺入使得材料中电子数量增多,进而提高了活性自由基·O^-₂的数量。本文通过EPR技术和XRD衍射技术,成功表征了Ce³⁺掺杂对ZnO材料中自由基种类合成的影响过程,并结合UV-Vis技术,对Ce∶ZnO复合材料光催化降解甲基橙的过程中的电子转移过程作出了合理的解释。     

Cs2HfCl6和Cs2HfCl6∶Tl晶体的生长、光学和闪烁性能研究

本文使用坩埚下降法制备了ø7 mm的未掺杂Cs₂HfCl₆与Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl(摩尔分数)单晶,对晶体样品进行了物相、杂质含量、光学和闪烁性能的研究。该晶体属于立方晶系,空间群为Fm3m。在荧光和X射线激发下,未掺杂Cs₂HfCl₆晶体的发光主峰皆为380 nm,对应于自陷激子发光。Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体在荧光和X射线激发下,发射光谱中除了存在380 nm处的自陷激子发光,也存在505 nm处Tl⁺的sp-s²跃迁发光。Cs₂HfCl₆和Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的光输出分别为37 000 photons/MeV和36 500 photons/MeV,在662 keV处的能量分辨率皆为3.5%。在¹³⁷Cs源激发下,Cs₂HfCl₆晶体的闪烁衰减时间为0.37 μs (4.2%)、4.27 μs (78.9%)和12.52 μs (16.9%),Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的闪烁衰减时间为0.33 μs (3.5%)、4.09 μs (81.9%)和10.42 μs (14.5%)。     

Yb,Ho:GdScO3晶体生长及光谱性能分析

采用提拉法生长出了尺寸为?30 mm×50 mm的Yb, Ho∶GdScO₃晶体。通过X射线衍射得到了晶体的粉末衍射数据，使用GSAS软件进行了全谱拟合，得到了晶体的结构参数。测试了晶体的拉曼光谱，在100～700 cm^-1观察到18个拉曼振动峰。对Yb, Ho∶GdScO₃晶体的光谱特性进行了表征，并计算了Yb³⁺的吸收截面，其在940、975 nm处的吸收截面分别为0.31×10^-20、0.42×10^-20 cm²。采用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺的跃迁强度参量Ω_t,Ω₄/Ω₆值为2.04,并计算了辐射跃迁概率、能级寿命及荧光分支比等光谱参数。结果表明，Yb, Ho∶GdScO₃晶体的发光性能良好，是一种有前景的2～3μm激光晶体候选材料。     

Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究

本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga₂O₃单晶，并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni²⁺掺杂对β-Ga₂O₃光学特性的影响，发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm,对应的光学带隙为4.74 eV。此外，阴极荧光(CL)光谱测试结果显示，Ni²⁺掺杂β-Ga₂O₃单晶在600～800 nm具有宽带近红外发光特性，有望拓宽β-Ga₂O₃单晶材料在宽带近红外方面的应用。     

LaBr3:Ce,Sr闪烁晶体的生长及性能研究

采用自发成核坩埚下降法生长了直径25 mm的铈、锶共掺溴化镧(LaBr₃∶5%Ce,x%Sr,简称LaBr₃∶Ce, Sr,其中x=0.1、0.3、0.5,摩尔分数)闪烁晶体，测试对比了晶体的X射线激发发射光谱、透过光谱和脉冲高度谱等。结果表明，不同Sr²⁺掺杂浓度的LaBr₃∶Ce, Sr晶体在X射线激发下的发射光谱波形基本一致，但相比未掺杂Sr²⁺的样品，发射峰的峰位发生了明显的红移，随着Sr²⁺掺杂浓度的增大，发射峰红移程度增大。不同Sr²⁺掺杂浓度的LaBr₃∶Ce, Sr晶体在350～800 nm不存在明显的吸收峰，0.3%和0.5%Sr²⁺掺杂晶体的透过率有所降低。随着Sr²⁺掺杂浓度的增大，能量分辨率逐步提高，Sr²⁺掺杂浓度为0.5%时，LaBr₃∶Ce, Sr晶体的能量分辨率最高，达2.99%@662 keV...