同成分、近化学计量比铌酸锂晶体生长、性质及应用探索

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1、山东大学博士学位论文i_Nm摘要铌酸锂(LN)是一种重要的多功能晶体，具有优良的压电性能、非线性光学性能、电光及光折变性能等。能用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易加工。因此，铌酸锂晶体是一种广泛应用重要功能材料。LN晶体是一种典型的非化学计量比晶体。～般条件下采用提拉法生长的同成分铌酸锂晶体(CLN)是在固液同成分配比(【“】／[Nb]=48．6／51．4)熔体中生长的，Li离子的缺失造成晶体中存在大量的空位缺陷，使LN晶体的许多物理性能受到很大影响。人们十分希望长出低缺陷浓度的近化学计量比铌酸锂(NSLN)晶体。与传统的同成分铌酸锂晶体相比，NSLN晶体中

2、缺陷明显减少，许多重要的功能性质都要优于同成分铌酸锂晶体。然而，对于一般应用来说，CLN晶体已可满足要求，故目前广泛生长和使用的铌酸锂晶体大多为CLN晶体，按质量和用途区别，可以分为声学级和光学级铌酸锂晶体。声学级的铌酸锂晶体的生长和应用技术已经十分成熟，光学级及掺杂同成分铌酸锂晶体在实际应用中还存在一些问题，如组分均匀性，光学均匀性等。本论文对近化学计量比铌酸锂晶体及其掺杂晶体的生长、结构、缺陷及性质进行了系统的研究。同时探讨了光学级及掺杂同成分铌酸锂晶体在电光方面的应用。本论文的主要研究工作与LN晶体的生产和应用单位结合，具有重要的理论和应用价值。本论

3、文的主要研究内容包括：一、湿化学法合成铌酸锂粉体：针对掺杂元素的不均匀和加料的需求，采用湿化学法合成了铌酸锂及掺杂铌酸锂粉体，合成的铌酸锂粉术具有较低的熔点，在用于双坩埚连续加料方面有重要的前景。二、晶体生长：在总结现在国际上生长化学计量比铌酸锂晶体的几种主要方法的基础上，采用大坩埚生长小晶体和连续加料法利用自行研制的悬挂坩埚连续加料系统从富锂熔体中生长出了较高质量的近化学计量比铌酸锂晶体。从晶体生长热力学和动力学的观点出发，系统讨论了在生长过程中影响晶体生长和晶体质量的主要因素。认为合理的温场，优质籽晶，合适工艺参数和控制山东大学博士学位论文锂从熔体的挥

4、发是生长高质量晶体的前提条件。三、晶体的组分：铌酸锂晶体的[Li】／【Nb】比对晶体的性质有很大影响，大尺寸铌酸锂晶体组分的均匀性对铌酸锂晶体的产业化生产及其应用尤其重要，为此我们通过紫外吸收光谱，OH一吸收谱，对铌酸锂晶体的组分及其均匀性进行了详细的分析。认为造成组分分布不匀的主要原因是由于Li元素的挥发。初步表征了Mg：NSLN晶体的组分，沿生长方向Mg：NSLN晶体的紫外吸收边没有变化，并详细分析了其中的原因。测定了晶体的红外吸收谱，发现在NSLN晶体红外吸收谱中存在3466cIlld处的尖吸收峰和3478cm。处的伴峰。Mg：NSLN和Mg(6mo

5、I％)：CLN晶体的OH。红外吸收峰均位于3534cIIl。左右，说明晶体中M92+离子已经进入正常Nb位，可以初步判断所生长的掺镁晶体的掺镁量达到抗光损伤阈值的浓度。四、晶体的结构研究：采用高温X射线粉末衍射法研究了晶体结构随温度的变化。发现在温度1073K以上沿z轴出现收缩现象。结合高温拉曼研究，研究了晶体E(T01)和AI(TOI)模随温度的变化，从Nb06结构分析铌酸锂晶体出现的反常现象。五、晶体的缺陷研究：采用同步辐射白光貌相术，结合光学显微术和其他分析技术，对铌酸锂晶体的面缺陷(孪晶)、线缺陷(位错)、体缺陷(包裹体)等进行了观测和研究，探讨缺

6、陷的形成机制，为生长优质晶体提供了依据。并通过高能X射线研究了大尺寸晶体的质量。六、铌酸锂晶体的畴结构：采用化学腐蚀法对铌酸锂晶体的畴结构进行了研究，发现我们生长的NSLN晶体并没有完全单畴化，在少数区域有反转畴的存在。铌酸锂晶体的单畴化程度依赖晶体的组分。Mg：NSLN晶体中发现区域性畴结构。在Mg：CLN晶体中观察到同心环状结构，对不同位置进行了OH。红外光谱放入研究，发现掺镁对畴的形成有一定影响。M孑+离子的极化对Mg：NSLN晶体的畴结构有一定影响。七、铌酸锂晶体的热学性质：包括晶体的熔点、居里点、热膨胀、比热、热扩散系数及热导率等热学性质，并根据

7、晶体热学性质，结合晶体的结构的特点，分析了热学性能对晶体生长和光学应用的影响。山东大学博士学位论文八、晶体的基本物理性质及应用探索：测量了铌酸锂晶体的吸收、透过以及折射率，通过NSLN晶体电滞回线测得了晶体的矫顽场。利用本论文生长的晶体，制备了周期极化LN晶体。根据电光O开关应用对铌酸锂晶体的要求，探索铌酸锂晶体生长、组分、均匀性与电光应用的关系，测试了铌酸锂晶体的动态消光比、半波电压、吸收边以及微量元素的分析，指出组分均匀光学质量好的CLN晶体可以满足电光Q开关的应用要求。但是有不同来源的光学级CLN晶体不能完全符合使用要求，在实验基础上指出了这些铌酸锂

8、晶体存在的问题。并提出相应的解决方案。为了提高LN晶片制备器件的成