LiNbO3纳米晶及掺质LiNbO3纳米晶的制备与性能研究

论文摘要

铌酸锂（LN）晶体具有优良的压电、热释电、电光、双折射、非线性光学等效应，是一种重要的、应用广泛的功能晶体材料。目前广泛应用的LN晶体多为同成分生长得到，由于同成分生长的LN晶体中存在Li空位和反位Nb等缺陷，使其在光学和非线性光学应用中受到了限制。因而，如何减少Li空位和反位Nb缺陷，生长高质量、近化学剂量比的LN晶体的研究成为热点。近年来。对于近化学剂量比LN晶体生长的研究报道较多，主要有带自动供料系统的双坩埚技术、气相交换平衡技术（VTE）、以K2O为助溶剂的高温顶部籽晶法（HTTSSG）。但是，这些方法存有这样或那样的不足，所制备的晶体中仍存在着Li分布不均匀的问题。为此，设想从解决Li／Nb近化学剂量比的原料入手，以获得高质量的近化学剂量比的LN晶体。本文基于LN晶体结构的特点，在查阅了大量相关文献的基础上，设计、采用溶胶一凝胶法，制备了LN纳米晶，以及掺质LN纳米晶；对其微观结构、形貌及性质进行了表征，并与LN单晶进行了比较，得到一些新颖的结果。本论文的主要研究内容和结论如下：1．以高纯NbCl5和CH3COOLi.2H2O、柠檬酸为原料，采用溶胶-凝胶法（sol-gelmethod）制备出LN纳米晶，利用X射线衍射（XRD）、TG-DTA、FTIR和透射电镜（TEM）等表征手段对所制备的纳米晶粉体进行表征；结果表明，烧结温度为600℃时，LN相的纳米晶已经形成，这一温度远低于固相合成温度（＞1000℃），也低于Li2O沸点（1347℃）。所得纳米晶的颗粒尺寸在50-60nm左右，颗粒大小比较均匀，尺寸随着烧结温度的升高而长大。2．以高纯Nb2O5和Li2CO3、柠檬酸为原料，采用Pechini法制备了LN纳米晶，并对其进行了XRD、TEM表征；XRD表明纯的LN纳米晶形成的凝胶烧结温度为600℃；通过谢乐公式可以算出纳米晶颗粒大小在60-70nm左右，与TEM照片上所显示尺寸一致，没有出现大的团聚现象。3．以NbCl5和CH3COOLi.2H2O、Er（NO3）3·5H2O、柠檬酸为原料，采用溶胶-凝胶法制备出Er3+∶LN纳米晶，并对其进行了XRD、TEM表征。结果表明，在600℃低温烧结下，纳米晶结晶性较好，颗粒较均匀；其吸收光谱测试结果与Er3+∶LN单晶图谱大致相同；荧光光谱测试结果表明，通过514nm的光激发后，在1053nm处有一尖锐发光峰，这是4I11／2-4I15／2跃迁的缘故，与晶体发光谱相比，红移约35nm，这是由于纳米晶量子尺寸效应与表面效应所致。4．以NbCl5和CH3COOLi.2H2O、Nd2O3、柠檬酸为原料，采用溶胶-凝胶法，制备出Nd3+∶LN纳米晶；并对其进行了XRD、TEM表征，结果表明，在600℃烧结下，纳米晶结晶性较好，颗粒较均匀；吸收光谱结果表明，在可见与近红外范围内有较宽的吸收带，与晶体相似；荧光光谱测试结果表明，在355nm的光激发下，在1077nm处有一发光峰，与Nd3+∶LN晶体相比，蓝移约10nm。5．以NbCl5和CH3COOLi.2H2O、CrCl3.6H2O、柠檬酸为原料，采用溶胶-凝胶法，制备出Cr3+∶LN纳米晶；并对其进行了XRD、TEM表征，结果表明，在600℃烧结下，纳米晶结晶性较好，颗粒较均匀；并测试了其吸收光谱，结果与晶体相似；利用Cr3+在LN中的占位不同从而引起Cr3+∶LN晶体吸收光谱不同这一特征，研究了Cr3+∶LN纳米晶中Cr3+离子在晶格中的占位情况；并结合热分析，推断了Cr3+∶LN纳米晶的纯度，并近似推断出Li和Nb比情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 LN晶体的概述及研究进展
• §1.2.1 LN单晶
• §1.2.2 LN陶瓷
• §1.2.3 LN薄膜、纳米晶
• §1-3 本课题的研究意义和研究内容
• §1.3.1 本课题的研究意义
• §1.3.2 本课题的研究内容
• 第二章 溶胶-凝胶法制备纳米材料概述
• §2-1 纳米材料概述
• §2.1.1 纳米材料的定义
• §2.1.2 纳米材料的特性与分类
• §2.1.3 纳米材料的制备方法
• §2.1.4 纳米材料的应用介绍
• §2-2 溶胶-凝胶法制备纳米材料
• §2.2.1 溶胶-凝胶法的定义
• §2.2.2 溶胶-凝胶法的基本原理及特点
• §2.2.3 溶胶-凝胶法制备材料的途径
• §2.2.4 溶胶-凝胶法制备纳米材料的过程
• 第三章 LN纳米晶的制备及性能的研究
• §3-1 LN晶体的结构和相图
• §3.1.1 LN晶体的结构
• §3.1.2 LN晶体的相图
• §3-2 LN晶体的性质以及应用
• §3-3 LN纳米晶的制备与表征
• §3.3.1 材料制备所用的原料和仪器
• 5和CH₃COOLi.2H₂O为原料LN纳米晶的制备和热处理'>§3.3.2 以NbCl₅和CH₃COOLi.2H₂O为原料LN纳米晶的制备和热处理
• 3.3.2.1 LN溶胶的制备
• 3.3.2.2 LN凝胶的干燥和热处理
• §3.3.3 微结构与性能表征
• 3.3.3.1 X射线粉末衍射
• 3.3.3.2 TG-DTA分析
• 3.3.3.3 FTIR表征
• 3.3.3.4 透射电镜观察
• 2O₅和Li₂CO₃为原料LN纳米晶的制备和热处理'>§3.3.4 以Nb₂O₅和Li₂CO₃为原料LN纳米晶的制备和热处理
• 3.3.4.1 LN溶胶的制备
• 3.3.4.2 LN凝胶的干燥和热处理
• §3.3.5 LN纳米晶X射线粉末衍射、透射电镜观察及热分析
• §3-4 本章小结
• 第四章 掺质LN纳米晶的制备及性能的研究
• 3+:LN纳米晶的制备与表征'>§4-1 Er3³⁺:LN纳米晶的制备与表征
• §4.1.1 引言
• 3+:LN纳米晶的制备和热处理'>§4.1.2 Er³⁺:LN纳米晶的制备和热处理
• 3+:LN溶胶的制备'>4.1.2.1 Er³⁺:LN溶胶的制备
• 3+:LN凝胶的干燥和热处理'>4.1.2.2 Er³⁺:LN凝胶的干燥和热处理
• §4.1.3 微结构与性能的表征
• 4.1.3.1 X-Ray粉末衍射
• 4.1.3.2 TEM观察
• 4.1.3.3 吸收光谱分析
• 4.1.3.4 荧光光谱分析
• 3+:LN纳米晶的制备与表征'>§4-2 Nd³⁺:LN纳米晶的制备与表征
• §4.2.1 引言
• 3+:LN纳米晶的制备和热处理'>§4.2.2 Nd³⁺:LN纳米晶的制备和热处理
• 3+:LN溶胶的制备'>4.2.2.1 Nd³⁺:LN溶胶的制备
• 3+:LN凝胶的干燥和热处理'>4.2.2.2 Nd³⁺:LN凝胶的干燥和热处理
• §4.2.3 微结构与性能的表征
• 4.2.3.1 X-Ray粉末衍射
• 4.2.3.2 TEM分析
• 4.2.3.3 吸收光谱分析
• 4.2.3.4 荧光光谱分析
• 3+:LN纳米晶的制备、表征与吸收光谱分析'>§4-3 Cr³⁺:LN纳米晶的制备、表征与吸收光谱分析
• §4.3.1 引言
• 3+:LN纳米晶的制备和热处理'>§4.3.2 Cr³⁺:LN纳米晶的制备和热处理
• 3+:LN溶胶的制备'>4.3.2.1 Cr³⁺:LN溶胶的制备
• 3+:LN凝胶的干燥和热处理'>4.3.2.2 Cr³⁺:LN凝胶的干燥和热处理
• §4.3.3 微结构与性能的表征
• 4.3.3.1 X-Ray粉末衍射
• 4.3.3.2 TEM分析
• 4.3.3.3 吸收光谱分析
• §4-4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• §5-1 主要结论
• §5-2 主要创新点
• §5-3 有待进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表学位论文
• 学位论文评阅及答辩情况表