概述了本课题组在KDP类晶体快速生长领域的研究及进展情况。通过集成生长设备的管道系统、升级连续过滤系统、研发晶体生长过程的实时监控系统以及高精度退火设备, 实现晶体生长系统的集成化; 通过数值模拟优化晶体表面流场状态、全流程量化控制实现晶体稳定生长以及精密热退火进一步提升晶体性能; 针对点籽晶快速生长KDP类晶体中存在的柱锥交界面问题, 相继提出了长籽晶锥区限制生长法和长籽晶自由生长法, 为大尺寸高性能KDP类晶体生长提供新的技术方案。

为了采用扩散法制备大厚度近化学计量比钽酸锂(nSLT)晶体, 本文从富锂多晶料配比及合成工艺、极化工艺和扩散条件等方面对钽酸锂晶体高温富锂扩散工艺进行了研究, 对处理后晶片组分、畴反转电压和光学均匀性进行了表征, 研究了扩散条件对晶体组分的影响。结果表明, 富锂多晶料锂钽为60/40时较佳, 多次使用对所制备晶片组分、畴反转电压和光学质量无明显影响。在研究基础上, 制备了系列nSLT晶片, 晶片厚度最大为3.2 mm, 其组分达到化学计量比且组分均匀, 矫顽场约为152 V/mm, 晶体光学质量满足实用需求。

采用顶部籽晶法生长了La3+掺杂Pb(Lu1/2Nb1/2)O3(PLN)反铁电单晶, 晶体组分简写为xLa-PLN(x=1%、3%、5%), 并详细研究了La3+掺杂对PLN晶体储能性能的影响。通过ICP测试了不同配比晶体的实际掺杂比例, 分别为0.3%、1.1%、2.9%。XRD显示该晶体体系为正交相钙钛矿结构, 且存在两套超晶格衍射点阵, 分别由A位铅离子反平行排列和B位离子有序排列导致。介电温谱给出了晶体的介电常数、介电损耗随温度和频率的变化规律, 不存在弥散相变。变温电滞回线显示, 该体系均表现出典型的双电滞回线特性, 且随着La3+含量的增加, 有效储能密度逐渐增大, 最高储能密度达到5.1 J/cm3。这主要是由于La3+掺杂导致体系的容忍因子下降, 从而增强了反铁电稳定性, 最终提高了PLN体系的能量存储密度。

为了探索Er3+在Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3弛豫铁电晶体场中的发光特性, 采用高温溶液法生长了PMN-32PT∶Er3+弛豫铁电单晶, 测试并分析了该晶体的微观形貌、相结构、吸收光谱与上转换发射光谱, 利用Judd-Ofelt理论计算了Er3+在PMN-32PT晶体场中的J-O振子强度参数。该晶体四方相晶胞参数为a=0.402 3 nm, c=0.403 3 nm, V=0.065 23 nm3, 单斜相晶胞参数为a=0.403 5 nm, b=0.403 2 nm, c=0.403 1 nm, V=0.065 57 nm3。振子强度参数Ω2=1.77×10-20 cm2, Ω4=1.50×10-20 cm2, Ω6=0.79×10-20 cm2, δrms=0.18×10-6; 4I11/2的理论能级寿命τ=1.75 ms。样品晶体在980 nm光源激发下, 发射出了很强的绿光(552 nm)。研究结果表明PMN-PT∶Er3+单晶是一种性能优异的新型发光晶体。

为测定粉末材料的紫外波段二阶非线性光学特性, 根据Kurtz-Perry粉末倍频效应理论, 开展了紫外粉末二阶非线性光学性能测试的研究。测试光源为氙灯泵浦的Nd∶YAG-KTP电光调Q激光器, KTP为二倍频晶体, 输出波长532 nm, 单脉冲能量100 mJ, 重复频率1~10 Hz, 脉冲宽度为8 ns。为保证266 nm光的透过率, 采用紫外融石英做窗口片, 型号为JGS1; 为保证测试的准确性, 选择光栅光谱仪分光。经紫外常用的KDP、LBO、BBO等测试, 证明本方法具有稳定可靠、判别精度高、操作简单等优点, 可以有效地定性或半定量测试材料的紫外二阶非线性光学性能, 为研究紫外二阶非线性光学材料提供了一种重要的测试手段。

针对铌酸锂(LN)电光调Q开关性能一致性差、退压式调Q时无法完全关断光路的问题进行了系统研究。在闪光灯泵浦Nd∶YAG激光系统中, 对多块LN电光调Q开关的退压式电光调Q性能进行了对比测试, 并从电光调Q理论出发, 分析了光路无法关断的可能原因。在此基础上, 利用X射线定向仪、锥光干涉法对各晶体的轴向偏差、光学均匀性进行了表征, 首次发现了LN晶体的电光不均匀性, 即感应主轴偏离理论上的45°方向、通光截面各处感应双折射不一致。通过对比实验, 证实了电光不均匀性是造成光路无法关断、不同开关性能差异较大的主要原因。

薄膜体声波谐振器(FBAR)具有体积小、工作频段高、性能强等优势, 在滤波器领域有广泛的应用前景, 其最核心的功能层为压电薄膜。本文采用磁控溅射方法, 在6英寸硅片上制备了AlScN压电薄膜。对AlScN薄膜进行了分析表征, 结果表明, AlScN压电薄膜具有良好的(002)面择优取向, 摇摆曲线半峰宽为1.75°, 膜厚均匀性优于0.6%, 薄膜应力为10.63 MPa, 薄膜应力可调。制作了基于AlScN压电薄膜的FBAR谐振器, 其机电耦合系数为7.53%。在AlN中掺杂Sc能够有效提高压电薄膜的机电耦合系数, 对研究FBAR滤波器的宽带化有重要意义。

成功采用提拉法生长了尺寸80 mm×100 mm的Y方向钽酸镓镧压电晶体, 晶体整体透明、无包裹体。采用LCR电桥测量了晶体的相对介电常数, 采用谐振-反谐振法测量了压电应变常数。研究了头尾之间性能差异性, 头尾频率常数均匀性达到99.95%, 表明晶体存在良好的性能均匀性。此外, 还对(010)晶面进行了摇摆曲线和频率温度系数测试, 测得FHMW和TCF值分别为38.5″、1.23ppm/K。

氟化钙(CaF2)晶体具有紫外透过率高(＞99%@193 nm)、抗激光损伤阈值高等特点, 在高功率紫外激光器、深紫外光刻机等领域具有广泛的应用。应力双折射是氟化钙晶体在实际应用中的关键性能指标, 会导致通过晶体的光束发生形变, 严重影响成像质量。采用坩埚下降法制备了尺寸为210 mm的氟化钙晶体, 系统研究了CaF2晶体的位错和小角度晶界以及结晶质量对晶体应力双折射的影响, 实验结果表明, 位错密度的增高、小角度晶界的聚集、结晶质量的变差, 会引起局部残余应力的集中, 加剧应力双折射现象。

通过修正的Landau-Devonshire热力学模型构建了PbZr0.4Ti0.6O3/SrTiO3异质结的电滞回线方程, 得到了剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec和有效储能密度Wrec的关于PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的解析函数, 进而研究了连续厚度h对PbZr0.4Ti0.6O3薄膜铁电性能和铁电储能性能的影响。结果表明, Pr, Ec 和Wrec均随PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的增加呈非线性增大, 且当厚度h分别为57.0 nm、64.2 nm和65.8 nm时, 达到饱和值75.3 μC·cm-2、2 240.7 kV·cm-1和9.0 J·cm-3, 而能量转换效率η随h的增加呈现出非线性减小, h接近52.6 nm时, η趋于一稳定值4.79%。此外, 瞬时相对变化率W′rec(h)和η′(h)均随h增加而减小, 当h小于2.4 nm时, η′(h)大于W′rec(h), 当h大于2.4 nm时, η′(h)小于W′rec(h), 且当h接近50.0 nm时, η′(h)/W′rec(h)趋于一稳定值0.65。

为了快捷、精准测量脆性易解理氧化镓晶体的断裂韧度, 为氧化镓精密加工提供理论依据。采用G200纳米压痕仪对氧化镓晶体进行纳米压痕试验, 通过扫描电子显微镜分析压痕形貌, 分别采用纳米压痕法、能量法两种方法计算断裂韧度。纳米压痕法测得(010)面氧化镓晶体的断裂韧度为0.769 MPa·m1/2; 能量法测得其断裂韧度为0.782 MPa·m1/2。与传统的断裂韧度检测方法相比, 基于纳米压痕仪的压痕法和能量法能够微损伤快速检测脆性材料的断裂韧度。能量法是更精准、更便捷的纳米级断裂韧度检测方法。

在Rb2CO3-Li2CO3-Gd2O3-H3BO3体系中, 用自发结晶的方法获得了一种钆硼酸盐Rb2LiGdB2O6(RLGBO)单晶, 同时, 用固相合成法获得了RLGBO粉末多晶。单晶结构解析表明, RLGBO属于正交晶系, Pbcm空间群, 晶胞参数a=7.025 9(3), b=9.610 3(4), c=10.056 2(4)和z=4。热学性质表明, RLGBO在840 ℃下保持良好的热稳定性。在RLGBO中分别掺杂2%的Ce3+, 80%的Eu3+和50%的Tb3+之后, 其结构不会发生改变。在紫外光及近紫外光激发下, RLGBO∶Ce3+, RLGBO∶Eu3+和RLGBO∶Tb3+可分别发射蓝光, 红光和绿光。结果表明, RLGBO化合物可作为发光物质的基质材料。

针对圆柱壳结构的减振问题, 本文提出一种局域共振型圆柱壳类声子晶体结构, 通过在圆柱壳圆周方向布置弹簧振子实现。该声子晶体的能带结构研究结果表明, 该结构能够形成两条低频带隙, 一条带隙的起始频率低至650 Hz, 带宽为330 Hz, 另一条带隙具有更低的频率范围, 为0~371 Hz, 带隙的形成是由于圆柱壳和弹簧振子振动的耦合。进一步分析了声子晶体的圆柱壳质量与弹簧振子的质量比、弹簧振子的刚度和元胞宽度对带隙的影响。对有限周期圆柱壳结构的传输特性分析, 验证了局域共振型圆柱壳声子晶体在带隙范围内的抑制振动的能力。研究结果为圆柱壳结构的减振问题提供了理论参考。

带隙特性是声子晶体材料和结构的一个重要特征, 在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。控制和调整周期性微结构内的材料布局及属性, 可以设计出所需特殊带隙要求的声子晶体。本文通过遗传算法和拓扑优化技术研究了一维三相声子晶体的优化设计, 并给出了两个算例研究。结果表明, 三相材料能够得到更好的隔振效果, 对比两相材料, 三相声子晶体能够大幅降低禁带频率, 并得到高达99.21%的禁带。可见, 利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。

合金法提纯是制备太阳能级多晶硅的工艺之一, 在Al-Si合金提纯多晶硅工艺中, 冷却速率对初晶硅的形貌和纯度都有重要的影响。本文对成分为Al-30wt%Si合金采用不同冷却速率进行处理, 分析初晶硅的形貌以及杂质含量的变化。结果表明, 随冷却速率的降低, 初晶硅的长度和宽度逐渐增加, 初晶硅收率逐渐增加, 并且在较低冷却速率下, 初晶硅晶粒的<111>择优生长更加明显。同时, 冷却速率对初晶硅中的杂质含量产生了显著影响, 在较低冷却速率下, 杂质的去除率较高, 并且有利于Ti和B杂质的去除。为了获得较高的收率和较好的杂质去除率, Al-30wt%Si合金杂凝固过程中的冷却速率应低于3 ℃/min。

针对目前铸锭产品的品质效果缺乏有效及时的在线测试方法, 本文提出了多晶硅铸锭生产气体在线检测系统。该系统通过对铸锭生产过程中排出的工艺性尾气——氩气进行干泵取样、增压测试、实时分析等技术, 实现了在线式自动取样实时分析, 超限报警的功能, 可实时根据生产过程中炉腔内气氛的变化, 提早发现铸锭炉的故障和异常, 减少异常产品的出产率。通过后续电池数据的支撑, 可确定设备漏水和漏气的极限值,达到精细化调控硅锭质量、危险预警的效果, 为铸锭氩气回收系统做好预研的准备。

本文对在抛光铜衬底上通过填隙法制备的高质量石墨烯薄膜进行了详细研究。在电化学机械抛光后的铜衬底上制备石墨烯晶畴, 降低了晶畴的成核密度。利用光学显微镜和扫描电子显微镜对抛光铜衬底和未抛光铜衬底上制备的石墨烯晶畴进行测试, 测试结果表明, 铜衬底的表面形态对于降低石墨烯的成核密度, 增大石墨烯晶畴的尺寸起到了至关重要的作用。利用拉曼面扫描证明了所制备的石墨烯晶畴为单层、均匀的石墨烯晶畴。然后, 通过填隙法在抛光铜衬底上制备出由大尺寸单层的六边形石墨烯晶畴组成的石墨烯连续薄膜, 并且通过流程示意图解释了填隙法制备高质量石墨烯薄膜的过程。本文所提出的在抛光铜衬底上通过填隙法制备石墨烯薄膜的技术, 能够有效提高石墨烯薄膜的质量, 进而有效改善石墨烯基电子器件的性能。

采用水热法合成MoS2/石墨烯复合材料并制作气敏元件, 进行汞蒸气气敏性质测试。当石墨烯与MoS2的摩尔比为0.5%时, 复合材料对汞蒸气的灵敏度最佳; 在2.18~126.18 mg/m3浓度范围内, 传感器的灵敏度具有良好的线性度; 在汞蒸气浓度29.48 mg/m3条件下, 传感器的响应时间为8.5 min, 恢复时间为9.0 min。传感器具有优良的重复性、稳定性和选择性, 传感器在燃煤电厂烟气常见成分H2S、NH3和NO2三种气体中没有明显的响应, 可以应用于实际检测。

运用第一性原理方法研究了Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO稳定性、电子结构和光学性质的影响。CuZn2和CuZn1-CuZn3的形成能接近0.0 eV, CuZn1-CuZn2的形成能为负值, 表明Cu较易掺杂且掺杂时有聚集的趋势。AgZn2的形成能为2.5 eV, AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3的形成能高于4.5 eV, 说明高浓度的Ag掺杂在实际合成中不易出现。CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3的形成能与AgZn2的相近。CuZn2、CuZn1-CuZn2和CuZn1-CuZn3模型的Cu3d与O2p轨道有较大程度的杂化, 价带顶端主要由Cu3d轨道占据。AgZn2、AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3模型的Ag4d与O2p轨道杂化较弱, 价带顶端主要由O2p轨道占据。CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3模型的Cu3d与O2p轨道虽有杂化, 但价带顶端主要由O2p轨道占据。Cu或Ag原子掺杂使Zn4s轨道在导带区显著向下移动, 降低了模型的带隙宽度, 它们对ZnO电子结构的影响主要集中在带隙附近。Cu-Ag共掺修饰ZnO电子结构的能力介于Cu和Ag单掺之间。上述掺杂模型吸收边都发生了红移, 实现了ZnO对可见光的吸收, 同时对3.10~3.90 eV范围内紫外光的吸收均高于纯ZnO, 有效提高了ZnO的光催化效率。结合形成能分析可知, 在不同类型掺杂下最有利的光催化模型分别为CuZn1-CuZn2、AgZn2和CuZn1-AgZn2。

本文以碳酸锶(SrCO3)和三聚氰胺(C3H6N6)为原料, 采用直接煅烧法制得了一系列m-SCCN复合光催化材料。研究了不同原料配比、不同煅烧温度以及不同煅烧时间制备的m-SCCN复合材料在可见光下对结晶紫溶液的光催化降解效果, 并利用扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等对该材料进行表征。结果表明, 在SrCO3∶C3H6N6为7%(w/w), 煅烧温度为600 ℃, 煅烧时间为4 h时对结晶紫处理效果最佳。光照120 min后去除率可达到89.70%, 是纯g-C3N4(17.70%)的5倍。分析机理可能是SrCO3破坏了g-C3N4平面内的部分氢键使得七嗪单元开环生成了强吸电子基团—氰基(-C≡N), 从而改变了光生电子的传输途径, 提高了光生电子和空穴的分离效率, 优化了m-SCCN的光催化活性。

使用Na盐和K盐通过常压水解-离子交换法合成了“海藻球”状锐钛矿型TiO2。材料表面包裹着超细的纳米TiO2晶须, 交错形成三维、相互连接的纳米孔锐钛矿结构。用X射线衍射和扫描电镜对其晶体结构和形貌进行了表征, 并对其进行储锂电化学性能测试。材料表现出优异的电化学性能, 在100 mA·g-1的电流密度下, 首次放电比容量达347 mAh·g-1和 242 mAh·g-1, Na盐法制备的TiO2具有较好的倍率性能, 在2 000 mA·g-1的电流密度下, 首次放电比容量分别达168 mAh·g-1, 且循环性能良好, 循环20圈后仍然保持在153 mAh·g-1。

使用无水葡萄糖作为有机溶剂, 尿素作为助剂, 采用绿色环保的美拉德法一步合成了纳米钆掺杂的氧化铈晶体(Gd0.2Ce0.8O1.9, GDC)。通过TG/DSC、XRD、Raman spectroscopies、FESEM、in-situ XRD和交流阻抗谱等技术手段对合成的GDC材料进行结构和性能表征。结果表明, 合成的GDC粉末具有单一的立方萤石结构, 在10~50 nm范围内形成尺寸可调、粒径分布窄、结晶度高的纯相纳米颗粒。800 ℃煅烧的粉体经1 550 ℃烧结后可以得到平均晶粒尺寸为3 μm, 晶界数量较少的致密GDC电解质片, 其具有较好的电化学性能和结构稳定性。本文工作表明美拉德法适用于GDC的合成。

铌酸锂晶体历史悠久, 物理效应最为齐全, 被用于制备声学滤波器、谐振器、延迟线、电光调制器、电光调Q开关、相位调制器等器件, 在电子技术、光通信技术、激光技术等领域得到了广泛应用, 并且在第五代无线通信技术、微纳光子学、集成光子学及量子光学等近期快速发展的领域中展示了重要的应用前景。本文简要综述了铌酸锂晶体的基本性质、晶体制备以及应用情况, 对铌酸锂晶体未来的应用发展进行了简要分析。

文章综合概述了固相法晶体生长技术的发展过程与研究进展。首先, 回顾了在陶瓷烧结与冶金工艺中经常出现的晶粒异常长大现象, 以及由此发展起来的固相法晶体生长技术。对固相法晶体生长工艺和应用领域等进行了简要介绍, 对固相法晶体生长技术的典型应用案例和发展历程进行了叙述。然后, 着重介绍了一种新的固相晶体生长技术——无籽晶固相晶体生长技术。对无籽晶固相晶体生长技术在无铅铁电压电晶体—铌酸钾钠基晶体中的应用进行详细介绍, 并将该方法与常规的高温熔体法和籽晶诱导固相法晶体生长技术的特点进行了比较。最后, 在介绍当前关于固相法晶体生长机理讨论的基础上, 针对无籽晶固相晶体生长技术, 提出了一种新的综合机制模型, 力图解释无籽晶固相晶体生长的机理。对无籽晶固相晶体生长技术当前存在的问题以及未来的发展, 分别进行了简要的说明与展望。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一。然而其较低的生长速率(～10 μm/h)以及较高的缺陷密度(103~107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素, 经过国内外研究团队数十年的不懈努力, 在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果。但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题, 才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值。

稀土正铁氧体RFeO3晶体是一类重要的多功能磁性材料, 稳定的正交结构RFeO3晶体具有丰富的磁性, 优异的磁光和光磁特性, 在磁光和光磁调控方面取得一系列重要研究进展。另外, 正交相DyFeO3和GdFeO3等晶体由于R3+与Fe3+交换收缩作用, 在极低温度下表现出磁电耦合特性。相比较而言, 近年来涌现出的六方相RFeO3晶体被报道具有室温磁电耦合特性, 受到国内外广泛关注。由于六方相RFeO3晶体属于亚稳态, 晶体生长有一定的难度。本文主要综述了正交相RFeO3晶体和六方相RFeO3晶体的生长、磁光、光磁和磁电耦合特性, 为该体系晶体的结构设计、材料制备和性能研究提供参考。

压电单晶复合材料具有高压电常数、高机电耦合系数和高水声优值的优点, 是制备下一代高性能水声换能器的关键材料。不同类型水声换能器对压电材料的性能要求不同, 如何根据器件的具体应用需求, 对压电单晶复合材料的结构和性能进行设计具有重要的意义。为了能够准确选取压电单晶复合材料中压电相与聚合物相两相材料特性、体积分数、宽高比等参数, 本文提出了一种将解析模型与数值模型相结合的综合设计方法。实验结果证实, 该方法可以准确高效地预测1-3型压电单晶复合材料的振动模态及宏观等效性能参数, 实现以器件性能为指导的压电单晶复合材料设计。