KTN系列晶體的生長及其性能研究.pdf

1、鉭鈮酸鉀(KTa1-xNbxO3；簡稱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和光折變效應，該晶體一般采用熔體法生長，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性?；谏鲜鰞?yōu)點，KTN晶體在非線性光學、光存儲、光通訊及光電子等領域都具有廣泛的應用。 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。晶體居里點可以通過。Ta/Nb含量比調(diào)節(jié)，而晶體的各項物理性質(zhì)也隨組分不同而有所不同，所以我們可以根據(jù)不同的實驗需要，通過調(diào)節(jié)晶體的組分來調(diào)節(jié)晶體的物理性質(zhì)，針對某一專門應用設計或優(yōu)化晶體性能，這是KTN晶體的特點和優(yōu)點。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、高速光快門、全息存儲、光強度調(diào)制器、光位相調(diào)制器等領域都有著廣泛的應用前景；同時，KTN還作為一種優(yōu)秀的薄膜材料，襯底材料有著廣泛的應用。

3、 盡管早在上世紀50年代人們便成功合成了KTN晶體并發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異的二次電光效應和光折變效應，但由于生長條件苛刻，長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)和應用一直受到很大限制。近年來，由于生長工藝的改進，人們已成功生長出了大尺寸、高質(zhì)量的KTN單晶，這使得KTN晶體重新成為當前國際晶體研究的一個熱點。本論文首次采用提拉法成功生長出了大尺寸、高質(zhì)量、符合實際研究和應用需要的KTN單晶，對KTN系列晶體的牛長、結構、缺陷及各

4、項物理性質(zhì)，特別是電光性能進行了較為系統(tǒng)的研究，并探討了其應用，主要研究內(nèi)容包括： 一、晶體生長 通過控制適宜的生長工藝參數(shù)，成功利用提拉法從KT-KN熔體體系中生長出高質(zhì)量、大尺寸KTN單晶，通過合理的溫場設計和生長參數(shù)控制，采用大坩鍋生長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)相圖研究和實際

5、測試，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，成功生長出了Nb含量x為0～0.5的各種組分的KTa1-xNbxO3晶體。晶體生長是一個復雜的物理一化學過程，本文結合晶體生長熱力學和動力學理論，系統(tǒng)討論了晶體生長過程中影響晶體生長質(zhì)量的主要因素，探索出適合KT-KT熔體體系中生長高質(zhì)量KTN單晶的工藝方法。其中建立合適的溫場是生長優(yōu)質(zhì)單晶的前提；控制合適的生長工藝參數(shù)是晶體生長的關鍵；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過快是提高晶體質(zhì)量的保證。 二、KTN晶體結構測試與缺陷研究KTN晶體是KT和KN晶體固熔體混晶，具有ABO3型的鈣鈦礦結構。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晶體的結構特點一直吸引著眾多學者的研究興趣，這是因為KTN晶體結構具有一定的特殊性：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，特別是居里點附近會呈現(xiàn)出優(yōu)異的突變特征，同時KTN晶體的居里點可以通過調(diào)節(jié)晶體組分加以調(diào)節(jié)，這給KTN晶體的應用帶來很大優(yōu)勢，我們可以專門設計某一組分的KTN晶體來滿足某一應用需要。本論文中我們采用X射線粉末衍射方法對不同組分的KTN晶體結構進行了研究，并討論了晶體的相變特點。 從晶體的宏觀缺陷出發(fā)，利用高分辨X射線搖擺曲線測量分析了晶體的完整性，利用化學腐蝕實驗和顯微鏡形貌探

8、測研究了晶體的包裹體、氣泡、位錯、條紋等常見微觀缺陷，結合晶體生長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，所以晶體生長過程中要特別注意溫場徑向溫度分布的調(diào)節(jié)。條紋缺陷是影響KTN晶體生長和應用的主要缺陷，通過采用大坩鍋長小晶體和精確控制生長溫度和其他生長參數(shù)，我們成功生長出了無條紋缺陷的KTN單晶，從理論上分析了大坩鍋長小晶體方法晶體均勻性情況并利用電子探針測試了晶體的實際組分分布，利用原子力顯

9、微鏡等探測手段未發(fā)現(xiàn)KTN晶體有明顯的條紋缺陷，表明晶體質(zhì)量良好，可滿足光學研究和實際應用需要。 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、熱學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，并結合晶體的結構特點討論了這些基本物理性質(zhì)對晶體生長和應用的影響。為討論晶體的光學應用，測量了各組分KTN晶體的吸收、透過特征，測量了晶體的折射率；測量結果表明KTN晶體的折射率隨組分中Nb含量增加而有

10、所增大。利用浮力法測量了各組分KTN晶體的密度特征，并結合晶體內(nèi)部結構討論了其理論密度和實際密度的對應關系，并推導了由晶體密度判斷晶體組分的經(jīng)驗公式；測量了KTN晶體的熔點、溶化熵和溶化焓、比熱、熱膨脹、熱擴散等熱學性質(zhì)，并分別討論了各項性質(zhì)隨組分的變化特征，結合晶體的結構特點，分析了各項熱學性能對晶體生長和光學應用的影響。 四、電光系數(shù)的測量及電光效應的應用研究KTN晶體具有目前已知材料中最大的二次電光系數(shù)，電光效應是KTN晶

11、體的特征物理效應，也是本文研究的驅(qū)動力所在。從立方相KTN晶體的電光系數(shù)張量矩陣出發(fā)，我們詳細推導并設計了電光系數(shù)的測量方法，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,我們研究了KTN晶體在光束偏轉(zhuǎn)方面的應用，成功實現(xiàn)了在較低電壓下光束偏轉(zhuǎn)40mrad。 五、KTN晶體吸收系數(shù)和光電流效應研究研究了作為半導體材料的KTN晶體在可見光到淺紫外波段的光電流性質(zhì)，實驗結果表明KTN晶體在3.2～4.0eV光源輻