Re:CNGS(Re=Yb,Ho)晶体的生长及性能研究

摘要

压电晶体是具有压电效应的一类晶体材料，其在外力作用下会发生变形并在材料表面产生电荷;反之，当对晶体施加外加电场时，晶体会发生形变。根据这一特点，压电晶体可用于制备压电器件，在航空航天、医学、交通监测导航等方面有广泛的应用。随着科技的进步发展，油气开采、航空航天等领域对于高温压电器件的需求逐渐增加，这就要求压电晶体材料在高温条件下需要具有较高的压电性能与良好的稳定性。目前已经商业化的石英、铌酸锂等压电晶体，由于其在高温条件下介电压电性能较差，难以满足高温压电材料的要求。而硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)系列晶体中，结构有序的CNGS(Ca3NbGa3Si2O14)晶体具有高的机械品质因子、高温电阻率和较低的介电损耗，因此更适用于高温压电领域。
　　在已有晶体的基础上，掺杂稀土离子取代其它阳离子位置后，会引起晶体结构发生畸变，改变晶体性能，且不同稀土元素的掺杂会对晶体的不同性质产生影响。而现阶段研究学者关于不同稀土离子对CNGS晶体进行掺杂后的结构、基本物理性能、压电性能的影响研究较少。
　　为探索更多在高温条件下仍可保持良好的介电性能、压电性能的晶体材料，丰富现有的晶体体系，本论文对掺杂不同稀土离子的Re∶CNGS(Re=Yb，Ho)晶体进行了生长，并对其结构、基本热学光学性能、常温与高温下的介电压电性能进行了研究。主要工作如下:
　　(1)使用提拉法，对掺杂浓度为2at.％的Yb∶CNGS晶体与掺杂浓度为5at.％的Yb∶CNGS、Ho∶CNGS晶体进行了生长。采用[100]方向的CNGS籽晶，可以获得具有较高质量的晶体。对晶体中缺陷的成因进行了分析，为下一步优化晶体生长工艺参数、提高晶体质量提供了理论依据。
　　(2)对Re∶CNGS晶体的元素组成与结构进行研究。X射线粉末衍射结果表明，Re∶CNGS晶体与CNGS晶体同属三方晶系，32点群，且掺杂后晶格常数减小。通过浮力法测试了Re∶CNGS晶体密度，结果略大于CNGS晶体密度。利用X射线光电子能谱仪与能量色散谱仪对晶体的组成元素与电子结构进行分析，结果表明，稀土离子的掺杂导致晶体内Ca-O与Nb-O键的离子性增强。
　　(3)对掺杂浓度为5at.％的Yb∶CNGS晶体的比热、热膨胀系数、热扩散系数及热导率进行了测试，结果表明Yb∶CNGS晶体的热扩散系数与热导率存在较大的各向异性，而热膨胀形变则较为均匀。对Ho∶CNGS晶体的吸收光谱进行分析，其中，在300-750nm波段范围内，出现了四个强度较大的吸收峰，峰值对应波长与能级跃迁分别为:418nm(5I8→5G6)、451nm(5I8→5F3)、538nm(5I8→5F4)、642nm(5I8→5F5);同时，我们计算了400-700nm波段范围内的吸收截面值。
　　(4)利用谐振法，对Re∶CNGS晶体室温下的介电常数、压电常数、弹性柔顺系数、机电耦合系数等进行了测试与表征，并与未掺杂的CNGS晶体进行比较分析。结果表明，晶体各项电弹系数随掺杂浓度的增大有一定的增加。
　　对Yb∶CNGS晶体在室温至800℃温度范围内压电性能的温度依赖性进行了探究。晶体的介电常数εT11/ε0、弹性柔顺常数s11、压电常数d11、介电损耗与机电耦合系数k12都随温度升高呈增加趋势，其数值变化分别为17.89～21.78、9.01pm2/N～9.57pm2/N、3.87pC/N～5.10pC/N、0.00412～0.685与0.0964～0.1118。与CNGS晶体相比，掺杂后的晶体具有更高的机电性能稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 高温压电晶体材料的研究现状

1．3 CNGS晶体研究现状

1．4 论文研究内容及意义

参考文献

第二章 Re：CNGS(Re=Yb，Ho)晶体的生长

2．1 CNGS晶体简介

2．2 生长方法原理简介

2．3 晶体生长过程

2．3．1 掺杂稀土离子位置

2．3．2 原料的制备

2．3．3 生长过程

2．4 成果与缺陷分析

2．4．1 生长芯

2．4．2 包裹体

2．4．3 开裂

2．4．4 传热方式的影响

2．5 本章小结

参考文献

第三章 Re：CNGS晶体的结构及物理性能表征

3．1 晶体结构

3．2 晶体密度

3．3 晶体电子结构分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Re：CNGS晶体的介电、压电和弹性性能表征

4．1 引言

4．2 晶体加工与测试

4．2．1 晶体的切型设计与制备

4．2．2 测试步骤

4．3 晶体室温下电弹性能测试

4．4 晶体在高温条件下电弹性能测试

4．5 本章小结

参考文献

第五章 晶体的基本热学及光谱性质

5．1 晶体的基本热学性质

5．1．1 比热

5．1．2 热膨胀系数

5．1．3 热扩散

5．1．4 热传导

5．2 晶体的吸收光谱特性

5．3 本章小结

参考文献

第六章 总结

6．1 主要工作内容

6．2 主要创新点

6．3 下一步研究工作

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况

附件