1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 江苏师范大学物理与电子工程学院,徐州 221116
3 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899
4 连城凯科斯科技有限公司，无锡 214000
采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0， 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)和0.6%Pr,5%R∶Ca0.5Sr0.5F2(R=Y, Lu, Gd)系列碱土氟化物激光晶体，对其晶体结构、吸收和可见波段的荧光光谱及荧光衰减寿命进行了系统研究。通过吸收截面、发射截面、荧光寿命、荧光半峰全宽等光谱参数分析发现，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2混晶与其他掺杂混晶相比，具有最佳的光谱效果，443 nm处吸收截面和640 nm处红光发射截面分别为1.63×10-20和3.39×10-20 cm2，相应荧光半峰全宽和荧光寿命分别为4.50 nm和42.8 μs,光谱参数与0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)混晶相比有显著的提升。结果表明，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2晶体具有极大的潜力作为新型Pr3+掺杂宽带激光材料的增益介质。
激光晶体 碱土氟化物 Pr3+掺杂 可见激光 发光性能 laser crystal alkaline earth fluoride Pr3+ doping visible laser luminescence property
1 1.同济大学 物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
2 2.连城凯克斯科技有限公司, 无锡 214000
二十一世纪以来, 以氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)为代表的第三代宽禁带(Eg>2.3 eV)半导体材料正成为半导体产业发展的核心支撑材料。由于GaN与ZnO单晶生长难度较大, 成本较高, 常采用外延技术在衬底材料上生长薄膜, 因此寻找理想的衬底材料成为发展的关键。相比于传统的蓝宝石、6H-SiC、GaAs等衬底材料, 铝镁酸钪(ScAlMgO4)晶体作为一种新型自剥离衬底材料, 因其与GaN、ZnO具有较小的晶格失配(失配率分别为~1.4%和~0.09%)以及合适的热膨胀系数而备受关注。本文从ScAlMgO4晶体的结构出发, 详细介绍了其独特的三角双锥配位体结构与自然超晶格结构, 这是其热学性质与电学性质的结构基础。此外, ScAlMgO4晶体沿着c轴的层状结构使其具有自剥离特性, 大大降低了生产成本, 在制备自支撑GaN薄膜方面具有良好的市场应用前景。然而ScAlMgO4原料合成难度较大, 晶体生长方法单一, 主要为提拉法, 且与日本存在较大的差距, 亟需开发新的高质量、大尺寸ScAlMgO4晶体的生长方法来打破技术壁垒。
ScAlMgO4 自剥离衬底 晶格匹配 晶体生长 外延 综述 ScAlMgO4 self-peeling substrate lattice matching crystal growth epitaxy review
1 1.上海大学 材料基因组工程研究院, 上海 200444
2 2.同济大学 高等研究院, 物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 3.江苏师范大学 物理与电子工程学院, 江苏省先进激光材料与器件重点实验室, 徐州 221116
4 4.南京光宝光电科技有限公司, 南京 210038
氟化钙(CaF2)是一种良好的激光材料基质, 具有较宽的透过范围(0.125~10 µm)、良好的导热性(9.71 W/(m·K))和低非线性效应系数。在Pr:CaF2晶体中, [Pr3+-Pr3+]团簇导致Pr3+离子在较低浓度下出现荧光猝灭现象。在CaF2中共掺入La3+离子有可能打破[Pr3+-Pr3+]团簇。本研究通过温度梯度法(Temperature Gradient Technique, TGT), 成功地生长了一系列共掺入不同浓度La3+离子的Pr:CaF2晶体。在室温下采用X射线粉末衍射、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减寿命对Pr, La:CaF2晶体进行表征。Pr:CaF2晶体共掺入La3+离子后仍具有立方晶体结构。3P0→3H6(604 nm)和3P0→3F2(640 nm)处的最大受激发射截面分别为1.36×10-20和3.18×10-20 cm2, 半峰宽分别为17.0和 3.8 nm。随着La3+离子掺杂含量的增加, 3P0→3H6(604 nm)处的半峰宽从15.84增加到18.53 nm。0.6%Pr,10%La:CaF2 (原子分数)的最大荧光寿命和光谱质量因子分别为45.82 μs和145.8×10-20 cm2·μs。上述结果表明: [Pr3+-Pr3+]离子淬灭团被打破, Pr, La:CaF2晶体是潜在的激光增益材料, 可应用于橙红色激光领域。
Pr, La:CaF2 光谱性能 Judd-Ofelt理论 荧光寿命 Pr, La:CaF2 spectra property Judd-Ofelt theory fluorescence lifetime
同济大学物理科学与工程学院，上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海 200092
X射线具有波长短、穿透能力强等优点，在医学成像、安全检查、科学研究、空间通信等领域具有重要作用。半导体X射线探测器可以将X射线转换为电流信号，具有易集成、空间分辨率高、能量分辨率高、响应速度快等优点。高性能的X射线探测器应具备暗电流低、灵敏度高、响应速度快、可长时间稳定工作等特点，因此制备X射线探测器的半导体材料应具有电阻率高、缺陷少、抗辐照能力强、禁带宽度宽等性质。氧化镓(Ga2O3)是一种新型宽禁带半导体材料，具有超宽禁带宽度、高击穿场强、高X射线吸收系数、耐高温、可采用熔体法生长大尺寸单晶等优点，是一种适合制备X射线探测器的新型材料，近年来基于Ga2O3的X射探测器成为辐射探测领域的研究热点之一。本文主要介绍了Ga2O3半导体的物理性质及其在X射线探测器方面的研究进展，分析了影响X射线探测器性能的物理机制，为提高Ga2O3基X射探测器的性能提供了思路。
氧化镓 超宽禁带半导体 X射线探测器 半导体探测器 响应速度 灵敏度 单晶 薄膜 Ga2O3 ultra-wide band gap semiconductor X-ray detector semiconductor detector response speed sensitivity single crystal thin film
同济大学物理科学与工程学院，高等研究院，上海 200092
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SrxCa1-xF2晶体，晶体尺寸约为15 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Ωt(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。
氟化钙晶体 温度梯度法 晶体生长 多孔坩埚 激光晶体 光谱性能 calcium fluoride crystal temperature gradient technology crystal growth porous crucible laser crystal spectral property
1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 天通银厦新材料有限公司，银川 750001
3 天通控股股份有限公司，海宁 314412
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300 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。
钛宝石 单晶生长 泡生法 闪烁发光性能 Ti∶Al2O3 single crystal growth Kyropoulos method scintillation luminescence property
1 普洱学院理工学院，普洱 665000
2 同济大学物理科学与工程学院,上海 200092
3 天通控股股份有限公司，海宁 314412
4 中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，沈阳 110179
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。
蓝宝石 导模法 晶体生长 缺陷 气泡 色心 sapphire EFG crystal growth defect bubble color center
1 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院, 徐州 221116
通过导模法(EFG)成功生长了蓝宝石单晶光纤(直径400~1000 μm, 长度500 mm)。光纤的横截面大致为圆形, 侧面无明显的小面, 直径变化小于40 μm。本研究对晶体缺陷, 例如微气泡, 包裹物和生长条纹等进行观察与分析, 得出: 大多数微气泡是球状的, 且存在于光纤的外侧缘; 在蓝宝石光纤外侧面也观察到少量的钼包裹物元素; 新模具在前几次使用中往往会产生更多的钼夹杂物, 在多次使用后降低。通过对熔体膜流体流动的实验和数值模拟, 研究蓝宝石光纤中微气泡尺寸和分布, 实验和数值模拟的结果显示出良好的一致性。微气泡的分布取决于熔体膜处的流体流动模式, 流体流动的涡流使微气泡在热毛细对流作用下移动到蓝宝石光纤外侧缘。633 nm处的吸收损耗为9 dB/m, 包裹物和表面不规则性会增加散射损耗。
蓝宝石光纤 导模法(EFG) 微气泡 钼包裹物 sapphire fibers edge-defined film-fed growth method micro bubble Mo inclusion
1 同济大学高等研究院物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
2 同济大学化学科学与工程学院, 上海 200092
3 上海蓝宝石晶体工程研究中心, 上海 200092
采用浮区法(FZ)生长Ge掺杂β-Ga2O3晶体, 利用XRD和Raman光谱研究了掺杂对晶体结构的影响。透射光谱测试表明, 随着Ge离子掺杂浓度增加, Ge∶β-Ga2O3晶体光学带隙增大。在4.67 eV紫外光激发下, Ge∶β-Ga2O3晶体的发光强度与β-Ga2O3晶体相当, 发光衰减时间比β-Ga2O3晶体更快。
氧化镓 Ge掺杂 发光性能 快衰减 gallium oxide Ge-doped luminescence property fast decay
1 同济大学 中德工程学院，上海 201804
2 同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804
3 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
介绍了蓝宝石材料的亚表面损伤形成机制。考虑碳化硼磨料可产生较小亚表面损伤的优点，本文基于游离磨料研磨方式，研究了不同粒度碳化硼磨料研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤。利用KOH化学腐蚀处理技术，对研磨后的样品进行了刻蚀；通过特定的腐蚀坑图像间接反映了蓝宝石晶体的亚表面损伤形貌特征，获得了W20、W10和W5碳化硼磨料产生的亚表面损伤深度，得到了在不同刻蚀时间下蓝宝石亚表面损伤形貌、表面粗糙度和刻蚀速率。研究结果显示：游离碳化硼磨料研磨造成的蓝宝石晶体的亚表面损伤密度相当显著，但损伤深度并不大，其随磨料粒度的增大而增大，W20、W10和W5粒度的磨料研磨后产生的亚表面损伤深度分别为7.4, 4.1和2.9 μm，约为磨料粒度的1/2。得到的结果表明采用碳化硼磨料研磨有利于获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片，而采用由大到小的磨料逐次研磨可以快速获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片。
蓝宝石晶体 亚表面损伤 游离碳化硼磨料 KOH化学腐蚀 表面粗糙度 sapphire crystal subsurface damage loose boron carbide abrasive KOH chemical corrosion surface roughness 光学 精密工程
2017, 25(12): 3070
