NaBi(WO4)2晶体生长与开裂研究

钨酸铋钠[分子：NaBi(WO4)2简称NBW]是一种性能优良的闪烁晶体,本工作采用提法生长出直径为45mm,高为35mm的大尺寸NBW晶体,对生长的晶体中存在的开裂现象进行了研究,从理论上讨论了晶体中的热应力和热应变与晶体尺寸,温度梯度,提拉速度和转速等生长工艺参数之间的关系,实验研究发现,晶体开裂与生长速度过快,转速过大,晶体冷却速率过快所造成的热应力有关,并给出了制备无开裂优质NBW晶体的最佳生长工艺参数。     

NaBi(WO4)2晶体生长与光谱性能

采用提拉法生长出钨酸铋钠晶体[分子式NaBi(WO4)2, 简称NBW].生长过程中, 对影响晶体开裂的原因进行了详细的分析, 设计了合理的工艺参数 液面上下10mm内的温度梯度为0.8 ℃/mm, 径向温度梯度小于0.3 ℃/mm.拉速为2～4 mm/h, 转速为10～15 r/min, 降温速率为25 ℃/h, 生长出尺寸为45 mm×35 mm的高质量的钨酸铋钠晶体.X射线衍射分析结果表明, NBW晶体属于四方晶系,空间群为I41/a.光透射测试结果表明了NBW晶体的抗辐照损伤能力强;发射光谱分析发现它的发射峰值位于可见光绿光波段.     

Nd∶NaBi(WO_4)_2晶体生长

采用Czochralski法生长出尺寸为 8mm× 2 0mm的掺钕的钨酸铋钠 [分子式 :Nd∶NaBi(WO4) 2 ,简称 :Nd∶NBW ]激光晶体 ,研究了生长工艺参数对Nd∶NBW晶体结构完整性的影响 ,确定了最佳的生长工艺参数 :轴向温度梯度为 0 .7～ 1℃ /mm ,生长速率 0 .2～ 0 .5mm/h ,晶体转速 1～ 4r/min。并利用了X射线衍射确定了Nd∶NBW晶体属于四方晶系 ,I41 /a空间群 ,其晶格常数为a =0 .5 2 75nm ,c=1.14 93nm。通过TG -DTA分析了Nd∶NBW晶体的相关物理、化学性质 ,确定了其熔点为 936.2℃ ,并与纯的钨酸铋钠晶体 (分子式 :NaBi(WO4) 2 ,简称 :NBW)进行了对比性研究     

SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石晶体的碎裂分析

在SAPMAC法晶体生长过程中常常出现晶体开裂现象,导致试验失败;根据裂纹萌生的位置、扩展程度可将其概括为全开裂(粉碎性开裂)和体内开裂(节理面开裂)两种开裂形态.研究结果表明:引起晶体开裂的主要原因是晶体内部由温度分布不均匀所引起的热应力,晶体内热应力与系统温度梯度、晶体热膨胀系数及晶体直径成正比;过快的晶体生长速率和过快的冷却速率,将会引起晶体内部整体热应力过大,造成晶体整体碎裂;在晶体直径突变及包裹物边缘位置易产生应力集中,微裂纹在应力集中位置萌生,并沿薄弱的(11-20)或(01-12)面扩展,造成晶体局部开裂.本实验室通过设计合理而稳定的温场、优化晶体生长工艺及退火处理等方法,较好地解决了蓝宝石晶体的开裂问题,生长了直径达240 mm的大尺寸蓝宝石晶体.     

Nd:NaBi(WO4)2晶体生长

采用Czochralski法生长出尺寸为φ8mm×20 mm的掺钕的钨酸铋钠[分子式:Nd:NaBi(WO4)2,简称:Nd:NBW]激光晶体,研究了生长工艺参数对Nd∶NBW晶体结构完整性的影响,确定了最佳的生长工艺参数:轴向温度梯度为0.7～1 ℃/mm,生长速率0.2～0.5 mm/h,晶体转速1～4 r/min.并利用了X射线衍射确定了Nd∶NBW晶体属于四方晶系,I41/a空间群,其晶格常数为a=0.527 5 nm, c=1.149 3 nm.通过TG-DTA分析了Nd∶NBW晶体的相关物理、化学性质,确定了其熔点为936.2 ℃,并与纯的钨酸铋钠晶体(分子式:NaBi(WO4)2,简称:NBW)进行了对比性研究.     

掺镱钇铝石榴石激光晶体生长与开裂

采用提拉法生长了掺杂5%(摩尔分数)Yb3+的Yb:Y3Al5O12(Yb:YAG)晶体,并对晶体生长工艺进行了研究。从理论上分析了生长速率、转速、热应力、晶体尺寸对晶体开裂的影响。确定的最佳工艺条件为:晶体放肩和等径生长速率分别为0.8mm/h和1mm/h;转速为15r/min;轴向温度梯度为0.01～0.05℃/mm。所得晶体的最佳直径为15～25mm。     

大尺寸BaF_2晶体开裂的研究

本文指出了大尺寸(φ100mm)BaF_2单晶生长过程中的开裂因素,分析了大尺寸BaF_2单晶生长时能允许的最大轴向温度梯度,降温速率以及由于热应力引起的最大合成应变。相应地改善了温场,确定了最佳晶体生长工艺,采用坩埚下降法生长出了无开裂的φ100mm的完整晶体。     

大尺寸Cr3+:LiSrAlF6晶体生长

采用提拉法生长出了一系列不同Cr3+(0.8%～8%,摩尔分数)不开裂、无明显散射颗粒、无气泡的Cr:LiSAF晶体毛坯,尺寸从φ 25mm,φl29 mm×135 mm到φ226 mm,φl30 mm×158 mm不等. 测定了晶体中的散射损耗约为1×10-3 cm-1. 详细讨论了引起晶体开裂的主要原因,并在此基础上基本解决了晶体开裂的难题.     

高温闪烁晶体Ce:YAlO3开裂现象的分析

对提拉法生长的Ce;YAIO3(简称为Ce：YAP)晶体的开裂现象进行了研究,认为引起开裂的主要内在因素是YAP晶体热膨胀系数的各向异性。研究了Ce：YAP晶体的[010],[101],[121]等几个主要方向在30～800℃范围内的热膨胀系数曲线。结果表明：沿[010]和[101]方向的膨胀系数相差最大。通过对晶体中热应力分布的计算,得出晶棱显露处为应力集中点,指出晶体容易产生开裂的方向是[010]和[101]。通过对晶体的显微形貌观察发现,晶体中存在微裂纹。晶体的各向异性热膨胀系数,晶体生长过程中大的温度梯度以及快的降温速率等是Ce：YAP晶体产生开裂的主要原因。     

ScAlMgO4晶体的生长缺陷

采用提拉法生长出φ30 mm×55mm的ScAIMgO4晶体.在晶体生长过程中有轻微的挥发,粉末X射线衍射分析表明:挥发物质为MgO单相.运用扫描电镜、光学显微镜以及高分辨X射线衍射仪对晶体中的包裹物、开裂、生长条纹和小角晶界缺陷进行了研究.结果表明;温度梯度和热应力是形成晶体中缺陷的主要原因.通过合理设计温场,控制固-液界面的形状及冷却过程的降温速率,可以提高晶体的完整性.     

NaM(WO4)2(M:Bi3+,Y3+,Gd3+)晶体生长与结构

采用提拉法生长出了钨酸铋钠[NaBi(WO4)2,NBW]、钨酸钇钠[NaY(WO4)2,NYW]和钨酸钆钠[NaGd(WO4)2,NGW]晶体.通过热重-差热分析(tbermogravimetry-differential thermal analysis,TG-DTA),X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析对晶体进行表征.由TG-DTA曲线得到NBW,NYW和NGW晶体的熔点分别为937.7,1210.0℃和1 252.8℃.XRD分析表明:3种晶体都属于四方晶系、白钨矿结构、I41/a空间群.计算了3种晶体的晶胞参数,NBW晶体的晶胞参数要大于NYW和NGW晶体的.测试了晶体的红外光谱及Raman光谱,分析了晶体的振动模式,并将晶体振动光谱进行归属.通过比较认为三者结构基本相同.     

Ybx:KY1-x(WO4)2晶体的生长与结构及光谱性能

用顶部籽晶提拉法(top seeded solution growth,TSSG)生长出Ybx:KY1-x(WO4)2(x=5%,摩尔分数,下同)和KYb(WO4)2晶体,比较了两者的结构和光谱性能.工艺参数:转速为10-15 r/min,提拉速率为1-2mm/d,生长周期为10-15d,降温生长速率为O.05-0.1℃/h,降温速率为20℃/h.X射线衍射分析表明:两者均为低温相的β-KYW结构,计算了2种晶体的晶格常数.测试了红外及Raman光谱,Ybx:KY1-xW(x=5%)样品在925,891,840,777,749 cm-1具有较强的红外吸收峰,是由WO4原子基团伸缩振动引起的;KYbW样品在484,437 cm-1处具有较强的红外吸收峰,反映了WO4原子基团的弯曲振动.分析了晶体的振动模式,认为2种晶体有较强的Raman活性,钨氧双桥键WOOW和单桥键WOW基团的振动在200～1 000cm-1范围内,对峰值与相应的振动进行了指认.     

RE:KYb(WO_4)_2(RE=Nd~(3+),Er~(3+))激光晶体生长与结构特性(英文)

采用泡生法(Kyropoulos method)生长了稀土掺杂钨酸镱钾[RE:KYb(WO4)2,RE=Nd3+,Er3+]激光晶体,并对其结构特性进行了研究。RE:KYb(WO4)2晶体是由WO6,REO8和KO123种基团组成,W2O10二聚体通过WOW单氧桥相连,在平行于c轴方向上形成(W2O8)n多重带。REO8和KO12多面体共顶相连,沿[101]和[110]方向形成了具有二维层结构的延长带。X射线粉末衍射分析表明:Nd3+:KYb(WO4)2和Er3+:KYb(WO4)2两种晶体具有低温β相RE:KYb(WO4)2结构,属于单斜晶系,空间群为C2/c,计算了晶格常数。晶体红外光谱测试结果表明:在630～930cm-1范围存在5个较强的红外吸收峰,这些吸收峰是由WO4基团的伸缩振动引起的。最后,对峰值与相应的振动模式进行了归属,证实了晶体中WOOW双氧桥和WOW单氧桥键的存在。     

Verneuil growth of TiO2 (rutile) crystals of large size and low dislocation density at low gas flow rate

Large (30 mm in diameter) TiO₂ (rutile) single crystals with low dislocation density were grown by the Verneuil method using a single crystal furnace designed and improved by the authors. The structure of the burner was optimized by numerical simulation analysis so that the crystal could be grown at a low gas flow rate. The investigation of the growth process parameters (i.e., growth rate, outer flow rate of O₂, inner flow rate of O₂, and the increment of H₂ flow rate) shows that the inner flow rate of O₂ and the increment of H₂ flow rate have the strongest influence on the crystal growth process. On this basis, other growth parameters (growth rate, outer flow rate of O₂) were also optimized. Compared with the conventional Verneuil method, the crystal can be grown at a considerably low gas flow rate (40–50% lower) with the method in this work, which reduces the melt turbulence impacted by gas flow, enabling a steady and clear solid-liquid interface and improving the crystal quality. The optimum growth conditions are for the growth rate of 6 mm/h, O₂ outer flow rate of 3.5 L/min, O₂ inner flow rate of 5.5 L/min, and increment of H₂ flow rate of 0.1 L/4 min. The etch pit density of the rutile crystals is 3.29 × 10⁴ cm^?2, an order of magnitude lower than that of the crystals grown by the conventional Verneuil method. The optical properties of the crystal are comparable to those grown by the floating zone method. Especially, it is easier to obtain a larger crystal size with lower production costs. Our results provide a possible route for industrializing the Verneuil production of large, high-quality and low-cost rutile single crystals.     

掺钕钨酸钆钠晶体生长、结构及光谱特性

采用提拉法生长了尺寸为φ(30～35)mm×80mm的掺钕钨酸钆钠[Nd:NaGd(WO4)2,Nd:NGW]晶体。生长Nd:NGW晶体的最佳工艺参数为:晶体的提拉速率为1～2mm/h,晶体转速为15～18r/min,冷却速率为10℃/h,液面上轴向温度梯度为0.7～1℃/mm。通过热重-差热分析(thermogravimetry-differential thermal analysis,TG-DTA),X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)对晶体进行表征。测试了晶体的红外及Raman光谱,分析了晶体的振动模式,并将晶体振动光谱进行归属。由TG-DTA曲线得到晶体熔点为1251.7℃。XRD分析表明:晶体属于四方晶系、白钨矿结构、I41/a空间群,晶胞参数a=0.53213nm,c=1.13070nm。吸收光谱表明:Nd:NGW晶体在805nm附近有较强、较宽的吸收峰,吸收截面积为3.581×10-20cm2,适合于激光二极管泵浦。     

Cyclic martensitic transformations and damage evolution in shape memory zirconia: Single crystals vs polycrystals

In zirconia-based shape memory ceramics (SMCs), cracking during the martensitic transformation can be avoided in structures that reduce the relative presence of grain boundaries where high levels of transformation mismatch stress develop. This approach has been well established in single crystals, but only for sample sizes below about 5 microns. In this paper, we extend the strategy of eliminating grain boundaries to bulk specimen scales by fabricating mm-scale single crystal SMCs via cold crucible induction melting. For 1.5 and 2.0 mol% Y₂O₃-ZrO₂, we study the cyclic martensitic transformation of both single crystal and polycrystal structures. Whereas single crystals have very repeatable transformation behavior in terms of hysteresis and strain amplitude, polycrystals degrade dramatically as they accumulate cracking damage with repeated cycling. As the polycrystal evolves from a pellet to granular packing of loose single crystals/grains, the energy dissipation converges with that of the single-crystal structure, and the energy spent on cracking throughout that process is captured by calorimetry analysis. These results verify that grain boundaries play a key role in damage evolution during martensitic transformation and that microstructural control can extend the size-scale of viable single crystal or oligocrystal SMCs from the micro- to the millimeter scale.     

In situ study of rotating lattice single-crystal formation in Sb2S3 glass by Laue μXRD

Single-crystal architectures in glass, formed by a solid-solid transformation via laser heating, are novel solids with a rotating lattice. To understand the process of lattice formation that proceeds via crystal growth, we have observed in situ Sb₂S₃ crystal formation under X-ray irradiation with simultaneous Laue micro X-ray diffraction (μXRD) pattern collection. By translating the sample with respect to the beam, we form rotating lattice single (RLS) crystal lines with a consistently linear relationship between the rotation angle and distance from nucleation site. The lines begin with a seed crystal, followed by a transition region comprising of sub-grain or very similarly oriented grains, followed by the presence of a rotating lattice single crystal of unrestricted length. The results demonstrate that the primary cause of lattice rotation within RLS crystals is the densification accompanying the glass → crystal transformation, rather than stresses produced from the difference in thermal expansion coefficient of the two phases or paraelectric → ferroelectric transition during cooling to ambient temperature.     

硅酸镓镧结构的新型压电晶体的研究进展

新型压电晶体La3Ga5SiO14因其低声速、零温度切向和良好的高温稳定性受到关注，但是昂贵的Ga2O3原料阻碍了它的工业应用。通过离子置换可获得具有langasite结构的多种新型压电晶体。综述介绍了置换La，Ga，Si形成的新型压电晶体的最新研究进展，比较分析了不同晶体的优势及其存在的问题。在这些新晶体中，由于Sr3Ga2Ge4O14（SGG)具有熔点较低、性能较高的综合优势，它有可能成为新一代表面波器件的重要候选材料。与提拉法相比，采用增蜗密封的下降法生长SGG单晶；可以显著提高晶体产率，降低成本。     

Tm~(3+)掺杂KYb(WO_4)_2自激活激光晶体生长与光谱特性分析

以K2W2O7为助熔剂,Tm3+掺杂摩尔分数为8%,采用顶部籽晶提拉法生长出了单斜晶系的铥掺杂钨酸镱钾[Tm3+:KYb(WO4)2,Tm:KYbW]晶体.测试了晶体的红外光谱和Raman光谱,并对出现的峰值进行了振动归属.测量了晶体的吸收光谱和荧光光谱,计算了相应的光谱参数.吸收光谱显示:Yb3+在945,958nm处吸收峰最强,半峰宽为91 nm.荧光光谱表明:Tm:KYbW晶体在1 735nnl和1 759nm附近有较强的发射峰,主峰1 759nm处的发射线宽达146nm,因此,Tm:KYbW晶体可作为可调谐激光增益介质.晶体的上转换荧光谱表明:在481 nm和646nm处分别得到了上转换蓝光和红光,并分析了相应的上转换机制.     

提拉法生长钽酸钾晶体

用提拉法生长出了一系列钽酸钾(KTaO3)晶体,其中最大可达31 mm×31 mm×40 mm,质量为247g.X射线粉末衍射仪测试结果表明:KTaO3单晶具有立方结构,晶胞参数a=0.398 88 nm.透射光谱显示:KTaO3单晶在340～3 500 nm的波长范围内有宽广的透光波段,仅在2 875 nm的处有吸收峰.讨论了KTaO3晶体的表面形貌、宏观缺陷及生长习性.