KTN系列晶體的生長(zhǎng)及其性能研究.pdf

1、鉭鈮酸鉀(KTa1-xNbxO3；簡(jiǎn)稱KTN)晶體是一種性能優(yōu)良的多功能晶體，具有顯著的電光效應(yīng)和光折變效應(yīng)，該晶體一般采用熔體法生長(zhǎng)，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。基于上述優(yōu)點(diǎn)，KTN晶體在非線性光學(xué)、光存儲(chǔ)、光通訊及光電子等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。 KTN晶體是鈮酸鉀(KNbO3，KN)和鉭酸鉀(KTaO3，KT)的固熔體混晶，在室溫下，KTN晶體隨組分不同既可以以順電相(立方相)，又可以以鐵電相(四方相或正交相

2、)存在。晶體居里點(diǎn)可以通過。Ta/Nb含量比調(diào)節(jié)，而晶體的各項(xiàng)物理性質(zhì)也隨組分不同而有所不同，所以我們可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要，通過調(diào)節(jié)晶體的組分來調(diào)節(jié)晶體的物理性質(zhì)，針對(duì)某一專門應(yīng)用設(shè)計(jì)或優(yōu)化晶體性能，這是KTN晶體的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。由于優(yōu)秀的電光性能和光折變性能，KTN晶體在光束偏轉(zhuǎn)器、Q開關(guān)、高速光快門、全息存儲(chǔ)、光強(qiáng)度調(diào)制器、光位相調(diào)制器等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景；同時(shí)，KTN還作為一種優(yōu)秀的薄膜材料，襯底材料有著廣泛的應(yīng)用。

3、 盡管早在上世紀(jì)50年代人們便成功合成了KTN晶體并發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異的二次電光效應(yīng)和光折變效應(yīng)，但由于生長(zhǎng)條件苛刻，長(zhǎng)期以來人們很難得到大尺寸高質(zhì)量的單晶體，使得KTN的研發(fā)和應(yīng)用一直受到很大限制。近年來，由于生長(zhǎng)工藝的改進(jìn)，人們已成功生長(zhǎng)出了大尺寸、高質(zhì)量的KTN單晶，這使得KTN晶體重新成為當(dāng)前國(guó)際晶體研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本論文首次采用提拉法成功生長(zhǎng)出了大尺寸、高質(zhì)量、符合實(shí)際研究和應(yīng)用需要的KTN單晶，對(duì)KTN系列晶體的牛長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)、缺陷及各

4、項(xiàng)物理性質(zhì)，特別是電光性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并探討了其應(yīng)用，主要研究?jī)?nèi)容包括： 一、晶體生長(zhǎng) 通過控制適宜的生長(zhǎng)工藝參數(shù)，成功利用提拉法從KT-KN熔體體系中生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大尺寸KTN單晶，通過合理的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)參數(shù)控制，采用大坩鍋生長(zhǎng)小晶體的工藝方法成功改善了晶體質(zhì)量問題。KTa1-xNbxO3晶體的組分是由原料配比和生長(zhǎng)溫度兩方面因素決定的，其中原料配比是主要決定因素；根據(jù)原料配比和晶體組分，根據(jù)相圖研究和實(shí)際

5、測(cè)試，我們系統(tǒng)研究了KT-KN熔體體系中Ta和Nb元素的分凝特征，成功生長(zhǎng)出了Nb含量x為0～0.5的各種組分的KTa1-xNbxO3晶體。晶體生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的物理一化學(xué)過程，本文結(jié)合晶體生長(zhǎng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，系統(tǒng)討論了晶體生長(zhǎng)過程中影響晶體生長(zhǎng)質(zhì)量的主要因素，探索出適合KT-KT熔體體系中生長(zhǎng)高質(zhì)量KTN單晶的工藝方法。其中建立合適的溫場(chǎng)是生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)單晶的前提；控制合適的生長(zhǎng)工藝參數(shù)是晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵；選用優(yōu)質(zhì)籽晶，采用合適的原料合成工

6、藝，控制原料組分以及避免生長(zhǎng)過快是提高晶體質(zhì)量的保證。 二、KTN晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試與缺陷研究KTN晶體是KT和KN晶體固熔體混晶，具有ABO3型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在室溫下，KTN晶體隨組分不同既可以以順電相(立方相)，又可以以鐵電相(四方相或正交相)存在。KTN晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一直吸引著眾多學(xué)者的研究興趣，這是因?yàn)镵TN晶體結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性：絕大部分組分的KTN晶體從高溫到低溫會(huì)經(jīng)歷立方-四方-正交的多次相變，相變溫度則隨晶體組分的不

7、同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，而晶體的許多物理性質(zhì)在相變點(diǎn)，特別是居里點(diǎn)附近會(huì)呈現(xiàn)出優(yōu)異的突變特征，同時(shí)KTN晶體的居里點(diǎn)可以通過調(diào)節(jié)晶體組分加以調(diào)節(jié)，這給KTN晶體的應(yīng)用帶來很大優(yōu)勢(shì)，我們可以專門設(shè)計(jì)某一組分的KTN晶體來滿足某一應(yīng)用需要。本論文中我們采用X射線粉末衍射方法對(duì)不同組分的KTN晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并討論了晶體的相變特點(diǎn)。 從晶體的宏觀缺陷出發(fā)，利用高分辨X射線搖擺曲線測(cè)量分析了晶體的完整性，利用化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)和顯微鏡形貌探

8、測(cè)研究了晶體的包裹體、氣泡、位錯(cuò)、條紋等常見微觀缺陷，結(jié)合晶體生長(zhǎng)過程我們分析了各種缺陷的成因以及解決方法。各種研究都表明晶體芯部是缺陷集中的區(qū)域，所以晶體生長(zhǎng)過程中要特別注意溫場(chǎng)徑向溫度分布的調(diào)節(jié)。條紋缺陷是影響KTN晶體生長(zhǎng)和應(yīng)用的主要缺陷，通過采用大坩鍋長(zhǎng)小晶體和精確控制生長(zhǎng)溫度和其他生長(zhǎng)參數(shù)，我們成功生長(zhǎng)出了無條紋缺陷的KTN單晶，從理論上分析了大坩鍋長(zhǎng)小晶體方法晶體均勻性情況并利用電子探針測(cè)試了晶體的實(shí)際組分分布，利用原子力顯

9、微鏡等探測(cè)手段未發(fā)現(xiàn)KTN晶體有明顯的條紋缺陷，表明晶體質(zhì)量良好，可滿足光學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用需要。 三、KTN晶體的基本物理性質(zhì)系統(tǒng)研究了KTN晶體的線性光學(xué)、熱學(xué)以及密度硬度等基本物理性質(zhì)，討論了這些物理性質(zhì)隨晶體組分的變化特征，并結(jié)合晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)討論了這些基本物理性質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)和應(yīng)用的影響。為討論晶體的光學(xué)應(yīng)用，測(cè)量了各組分KTN晶體的吸收、透過特征，測(cè)量了晶體的折射率；測(cè)量結(jié)果表明KTN晶體的折射率隨組分中Nb含量增加而有

10、所增大。利用浮力法測(cè)量了各組分KTN晶體的密度特征，并結(jié)合晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)討論了其理論密度和實(shí)際密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并推導(dǎo)了由晶體密度判斷晶體組分的經(jīng)驗(yàn)公式；測(cè)量了KTN晶體的熔點(diǎn)、溶化熵和溶化焓、比熱、熱膨脹、熱擴(kuò)散等熱學(xué)性質(zhì)，并分別討論了各項(xiàng)性質(zhì)隨組分的變化特征，結(jié)合晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了各項(xiàng)熱學(xué)性能對(duì)晶體生長(zhǎng)和光學(xué)應(yīng)用的影響。 四、電光系數(shù)的測(cè)量及電光效應(yīng)的應(yīng)用研究KTN晶體具有目前已知材料中最大的二次電光系數(shù)，電光效應(yīng)是KTN晶

11、體的特征物理效應(yīng)，也是本文研究的驅(qū)動(dòng)力所在。從立方相KTN晶體的電光系數(shù)張量矩陣出發(fā)，我們?cè)敿?xì)推導(dǎo)并設(shè)計(jì)了電光系數(shù)的測(cè)量方法，并得到了三種不同組分KTN晶體的電光系數(shù)矩陣。利用晶體的電光效應(yīng),我們研究了KTN晶體在光束偏轉(zhuǎn)方面的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了在較低電壓下光束偏轉(zhuǎn)40mrad。 五、KTN晶體吸收系數(shù)和光電流效應(yīng)研究研究了作為半導(dǎo)體材料的KTN晶體在可見光到淺紫外波段的光電流性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明KTN晶體在3.2～4.0eV光源輻