钼酸铽晶体的生长及其性质研究

论文摘要

六、七十年代人们就认识到三价金属钨酸盐和钼酸盐包括一批集荧光、激光、压电、铁弹、铁电性质于一身的材料。Ln2（MO4）3被用来表示这一材料家族，其中，Ln代表稀土元素或其他三价元素，M代表W或者Mo。在这些材料中，钼酸钆[Gd2（MoO4）3]晶体研究得比较充分，而与Gd2（MoO4）3晶体具有相同结构的钼酸铽[Tb2（MoO4）3]晶体的生长和基本性质的研究还没有报道。因此，本论文对Tb2（MoO4）3晶体的生长、结构、缺陷、基本热学性质、光学性质及其铁电性质进行了系统的研究，对掺杂Co3+、Cr3+离子Tb2（MoO4）3晶体的生长进行了探索，主要包括以下几方面的工作：一、晶体生长采用纯度为99．99％的Tb4O7和MoO3，通过固相反应合成出Tb2（MoO4）3多晶原料，利用熔体提拉法沿c轴成功地生长出了大尺寸、无开裂、高质量的Tb2（MoO4）3单晶。由于晶体生长是一个复杂的物理—化学过程，我们结合晶体生长热力学和动力学规律，系统讨论了影响晶体生长和晶体质量的主要因素。包括优质多晶原料的制备和建立合理温场的设计，控制合适的生长工艺参数，选用优质籽晶，消除外界因素的影响等。同时针对影响晶体生长不同问题的产生原因和特点，提出了相应的解决方法。二、晶体组分、结构与缺陷采用X射线荧光分析法分别测量了Tb元素和Mo元素在生长的Tb2（MoO4）3单晶中的浓度。测量结果表明所生长的Tb2（MoO4）3单晶接近化学计量比Tb2（MoO4）3。利用X射线粉末衍射对生长的Tb2（MoO4）3晶体进行了结构研究。根据X射线粉末衍射结果，确定生长的Tb2（MoO4）3晶体属于正交晶系，Pba2空间群，晶胞参数为α=β=γ=90°，a=10．3404 （?），b=10．3798 （?），c=10．6467 （?）。首次采用化学腐蚀法、扫描电子显微形貌术（SEM）和高分辨X射线衍射对Tb2（MoO4）3晶体的缺陷进行了观测，并结合晶体生长过程探讨了缺陷的形成机制，为生长优质晶体提供了依据。在Tb2（MoO4）3晶体中存在的主要缺陷为开裂、位错和镶嵌物。这些缺陷的存在影响了晶格的完整性。我们根据晶体缺陷的研究结果，针对这些缺陷的形成机制，采取了相应措施，不断改进生长工艺条件，有效地减少或消除了晶体中的这些缺陷。三、晶体的基本性质测量了Tb2（MoO4）3晶体的密度、硬度和热学性质，并讨论了这些基本性质对晶体生长和应用的影响。采用浮力法测得Tb2（MoO4）3晶体的密度为4．611 g·cm-3。我们首次测量了Tb2（MoO4）3晶体的显微硬度，结果表明Tb2（MoO4）3晶体的硬度较低，加工比较容易。系统地研究了Tb2（MoO4）3晶体的热学性质。通过差示扫描量热法测量出Tb2（MoO4）3晶体的熔点为1167．75℃，熔化热为13186．2 J／mol，熔化熵为9．15J·K-1·mol-1。在54℃到162℃的温度范围内Tb2（MoO4）3晶体的比热为0．3944J·g-1·K-1到0．4246 J·g-1·K-1。采用热膨胀仪在28～496℃的温度范围内测量了Tb2（MoO4）3晶体的热膨胀，室温到居里点热膨胀系数主值分别为αa=3．74×10-5／K，αb=2．74×10-5／K和αc=-1．58×10-5／K。我们首次测量了Tb2（MoO4）3晶体的热扩散系数并计算了其热导率。在30℃时，Tb2（MoO4）3晶体沿[100]、[010]和[001]方向的热扩散系数分别为0．604 mm2．s-1、0．631 mm2．s-1和0．644 mm2．s-1，相应的热导率为1．152 W·m-1·K-1、1．1715 W·m-1·K-1和1．2065 W·m-1·K-1。讨论了热学性质对Tb2（MoO4）3晶体的生长和应用所产生的影响。四、光学性质和铁电性质测量了Tb2（MoO4）3晶体的室温透过谱，结果表明该晶体透过波段范围较宽，覆盖了可见和近红外波段，并且发现在486nm处有比较明显的吸收。使用棱镜耦合仪测试了Tb2（MoO4）3晶体在632．8nm时的折射率，测试结果为n1=na=1．8479，n2=nb=1．8483，n3=nc=1．8990，表明Tb2（MoO4）3晶体为正光性的双轴晶。（001）面的锥光干涉也验证了这一点。利用阻抗分析仪测试了Tb2（MoO4）3晶体电容随温度的变化曲线，确定了Tb2（MoO4）3晶体的居里温度为162．3℃。由此计算了该晶体C方向的介电常数ε33，发现在低频条件下介电常数的反常才比较明显。通过化学腐蚀，观察到了Tb2（MoO4）3晶体的畴结构为90°畴。在频率f=2 Hz，温度t=110℃的条件下测得了Tb2（MoO4）3晶体的电滞回线。结果显示，其回线不饱满，存在一定的内偏场强。五、掺杂Co3+、Cr3+离子钼酸铽晶体的生长探索进行了掺杂过渡金属磁性离子Co3+、Cr3+：Tb2（MoO4）3晶体的生长的探索，但总的来说并未获得良好的实验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要参量符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铁电晶体研究概况
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 若干重要铁电体类型
• 1.3 镧系元素钨酸盐和镧系元素钼酸盐
• 1.4 钼酸铽晶体
• 1.5 本论文的研究工作
• 参考文献
• 2（MoO₄）₃晶体的生长'>第二章 Tb₂（MoO₄）₃晶体的生长
• 2.1 引言
• 2.2 晶体生长
• 2.2.1 生长方法和装置
• 2.2.2 多晶料制备
• 2.2.3 晶体生长
• 2.3 影响晶体生长的因素
• 2（MoO₄）₃晶体生长的影响'>2.3.1 原料组分对Tb₂（MoO₄）₃晶体生长的影响
• 2.3.2 温场的影响
• 2.3.3 籽晶对晶体生长的影响
• 2.3.4 生长界面
• 2.3.5 晶体生长完成后的降温程序
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2（MoO₄）₃晶体的组分、结构与缺陷表征'>第三章 Tb₂（MoO₄）₃晶体的组分、结构与缺陷表征
• 3.1 引言
• 2（MoO₄）₃晶体的组分分析'>3.2 Tb₂（MoO₄）₃晶体的组分分析
• 2（MoO₄）₃晶体的结构分析'>3.3 Tb₂（MoO₄）₃晶体的结构分析
• 2（MoO₄）₃晶体的缺陷研究'>3.4 Tb₂（MoO₄）₃晶体的缺陷研究
• 3.4.1 晶体缺陷的种类
• 3.4.2 晶体缺陷研究的方法
• 2（MoO₄）₃晶体缺陷研究'>3.4.3 Tb₂（MoO₄）₃晶体缺陷研究
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2（MoO₄）₃晶体的基本物理性质'>第四章 Tb₂（MoO₄）₃晶体的基本物理性质
• 4.1 引言
• 2（MoO₄）₃晶体的密度'>4.2 Tb₂（MoO₄）₃晶体的密度
• 2（MoO₄）₃晶体的硬度'>4.3 Tb₂（MoO₄）₃晶体的硬度
• 4.3.1 硬度及其测试方法
• 2（MoO₄）₃晶体的硬度'>4.3.2 Tb₂（MoO₄）₃晶体的硬度
• 2（MoO₄）₃晶体的热学性质'>4.4 Tb₂（MoO₄）₃晶体的热学性质
• 4.4.1 差热分析（DTA）
• 2（MoO₄）₃晶体的比热'>4.4.2 Tb₂（MoO₄）₃晶体的比热
• 2（MoO₄）₃晶体的热膨胀'>4.4.3 Tb₂（MoO₄）₃晶体的热膨胀
• 2（MoO₄）₃晶体的热扩散系数'>4.4.4 Tb₂（MoO₄）₃晶体的热扩散系数
• 4）₃晶体热导率的计算'>4.4.5 Tb2（MoO₄）₃晶体热导率的计算
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 2（MoO₄）₃晶体的光学、铁电性质研究'>第五章 Tb₂（MoO₄）₃晶体的光学、铁电性质研究
• 5.1 引言
• 2（MoO₄）₃晶体的光学性质'>5.2 Tb₂（MoO₄）₃晶体的光学性质
• 5.2.1 透过谱
• 5.2.2 折射率
• 5.2.3 锥光干涉
• 2（MoO₄）₃晶体的铁电性质'>5.3 Tb₂（MoO₄）₃晶体的铁电性质
• 5.3.1 居里温度Tc
• 5.3.2 电畴的观察
• 5.3.3 电滞回线的测试
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 3+、Cr³⁺离子钼酸铽晶体的生长探索'>第六章 掺杂Co³⁺、Cr³⁺离子钼酸铽晶体的生长探索
• 6.1 引言
• 3+、Cr³⁺离子Tb₂（MoO₄）₃晶体的生长'>6.2 掺杂Co³⁺、Cr³⁺离子Tb₂（MoO₄）₃晶体的生长
• 6.3 掺杂铝酸铽晶体的实验与分析
• 参考文献
• 第七章 结论及有待进一步开展的工作
• 7.1 主要结论
• 7.2 本论文的主要创新点
• 7.3 有待进一步开展的工作
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表