Re-CNGS(Re=Nd,Er,Tm)晶體的生長以及結構性能的研究.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、通訊導航和化學工業(yè)等領域發(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、光學性能和熱學性能，是一種具有潛在應用價值的多功能復合材料。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域的潛在應用。除了對其性能的表征，針對其功能基元，性能與晶體結構、電子結構之間的關系，稀土摻雜的影響規(guī)律的研究，相對較少。如果能進一步的，從較深的層次提出和解決相關問題，可為設計和生長性能優(yōu)良的功能晶體提供預測和指導，從而設計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構的影響展開了一系列研究，并且通過第一性原理計算的方法進一步研究了CNGS晶體的結構和性能之間的關系。
　　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。通過設計并不斷調整提拉爐內溫場的結構，結合晶體生長動力學和熱力學理論，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量，降低了晶體內絮

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、高質量的Re∶ CNGS單晶。晶體的生長方向為X方向，尺寸范圍在Φ20～30mm×H45～60mm之間。
　　2)對Re∶ CNGS晶體進行了結構分析，測試了基本的熱學性能。X射線粉末衍射結果表明，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晶體中的實際摻雜濃

5、度，結果表明，10 at.％ Nd3+∶ CNGS中的實際摻雜濃度為6.93 at.％。測試分析了Re∶ CNGS晶體的熱膨脹系數(shù)、比熱、熱擴散系數(shù)以及熱導率，并與未摻雜的CNGS晶體進行了對比。結果表明，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壓電測量標準，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、機電耦合系數(shù)和機械品質因子分別進行了測試。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)切型進行了表征。實驗結果顯示，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生了較明顯的變化。
　　在室溫到800℃的溫度范圍內，對于10 at.％ Nd3+∶ CNGS壓電性能的溫度依賴性進行了研究。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)都因為Nd3+∶ CNGS的摻雜發(fā)生了改變。