铪铁铜铌酸锂晶体的制备和全息存储性能的研究
发布时间：2021-03-03 19:13
本文中不同[Li]/[Nb]比和Hf4+离子掺杂浓度的Hf:Fe:Cu:LiNbO3晶体均通过传统的Czochralski法制备生成,分析得出一系列晶体样品的最适生长环境,通过多次试验,成功找出减少晶体生长宏观缺陷的方法,并利用多种物理、化学手段对已生成晶体进行二次加工。利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-AES）对Hf:Fe:Cu:LiNbO3晶体中Hf4+、Fe3+和Cu2+离子成分浓度进行分析。实验结果表明,Hf4+离子掺杂浓度和[Li]/[Nb]比的改变直接影响到晶体中各离子有效分凝系数。当Hf4+浓度的增加时,Hf4+有效分凝系数减少,但是Fe3+和Cu2+有效分凝系数的变化趋势却与之相反。然而对[Li]/[Nb]比进行改变时,Hf4+的有效分凝系数随着[Li]/[Nb]比的增加而下降,同时Fe3+
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铌酸锂晶体结构示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4图1-2Li2O-Nb2O5的二元相图Fig1-2BinaryphasediagramofLi2O-Nb2O5通过已有文献可知，通过提拉法制备的LiNbO3晶体内部常常为Li+离子不足而Nb5+离子过剩，即[Li]/[Nb]<1[30]。造成这一现象的原因是Li+离子，Nb5+离子半径分别为0.068nm和0.070nm，即两者大小差距极小，且均有畸变八面体将其包围并处在相似的晶格环境[31]。可是，在LiNbO3晶体中Nb5+-O2-键与Li+-O2-键相比，前者的键能要远远大于后者，这就导致上文晶体中[Li]/[Nb]比偏离化学计量比的现象。根据晶体内部电荷守恒原则，一部分Nb5+会通过占据Li位形成反位铌(4LiNb+)和锂空位(LiV)两种本征缺陷来确保内部的电中性。这就导致铌酸锂晶体的缺陷结构直接的影响到其物理和化学性质，同样令研究者们针对铌酸锂晶体的本征缺陷进行大量的研究。根据已有文献可知，对于本征缺陷的猜想主要分为以下三类：(1)氧空位模型铌酸锂晶体内部由于Li+数量的不足可以利用氧空位来中和多出来的电负性，其结构为[Li1-2xV2x]Nb[O3-xVx]，根据其结构式可知，当铌酸锂晶体中Li+浓度增加时，晶体内的氧空位浓度降低，从而令晶体密度增加。但是在实际测试中发现，增加晶体内Li+离子浓度并没有令密度增加，反而出现降低的现象。由于这种现象无法用氧空位模型完美解释，所以这一观点并未被人们采纳[32]。(2)铌空位模型铌酸锂晶体内部Li+数量的不足通过Nb5+离子进行补充，并生成一定数量的反位铌，然而反位铌的产生再次破坏铌酸锂晶体中的电性的平衡，所以通过引入铌空位来中和多出来的电负性，其结构为[Li1-5xV5x][Nb1-4xV4x]O3，但是这种结
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文92.2.2晶体制备仪器本实验晶体生长方式选择提拉法，晶体生长炉型号为TDL-J50A型单晶炉，该单晶炉可以通过观察窗在生长时直接观察生长状况，同时可在外部控制温度、转速，有利于生长出品质较高的单晶。所用的坩埚材料为铂金(熔点约1771°C)，所选原因为铌酸锂晶体的熔点为1260°C，且化学性质稳定不会与各个原材料发生反应，避免由于实验材料原因而导致的晶体不纯。加热方式为中频感应加热，电源为KGPF25-0.3-2.5型，实用中频感应加热的优点为热电偶位于坩埚正下方，易于调整高度和方便观察，而且在选择合适的保温材料和保温罩后可以很好地形成均匀温场，可以保证生长晶体的均匀性和高质量。图2-1为晶体炉内部的简单示意图。图2-1Hf:Fe:Cu:LiNbO3晶体生长炉结构简图Fig.2-1ThestructurediagramoftheHf:Fe:Cu:LiNbO3crystalgrowthfurnace2.3晶体的制备过程2.3.1原料的预烧结晶体生长前对各个原料的预处理有利于生长均匀且高质量的晶体，为后期的测试打好基矗首先根据设定的原料配比计算后的各原料质量精确称取，其中为提高精度针对LiCO3需提前进行水处理。然后将其加入晃料机后让其充分混合24小时，然后将其放入经过清洗的洁净坩埚中，处理方式为，首先利用焦硫酸钾煮沸，倒出后再加入1：1的氢氟酸和硝酸混合液继续煮沸，最后将坩埚铂金线圈籽晶杆白金坩埚氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷
【参考文献】：
期刊论文
[1]体全息存储研究现状及发展趋势[J]. 李建华,刘金鹏,林枭,刘佳琪,谭小地. 中国激光. 2017(10)
[2]Nonvolatile holographic storage in triply doped LiNbO3:Hf,Fe,Mn crystals[J]. 李晓春,屈登学,赵雪娇,孟雪娟,张玲玲. Chinese Physics B. 2013(02)
[3]基于LiNbO3晶体的透射式共光轴体全息存储技术[J]. 李建华,曹良才,谭小地,何庆声,金国藩. 光学学报. 2012(04)
[4]双掺杂铌酸锂晶体中铟杂质含量对光致折射率变化的影响[J]. 温静,陈宝东. 信息记录材料. 2011(04)
[5]Zn∶Mn∶Fe∶LiNbO3晶体的非挥发性存储[J]. 张春雷,范叶霞,徐超,方桂珍,关承祥,徐玉恒. 人工晶体学报. 2010(S1)
[6]铜铁双掺近化学计量比铌酸锂晶体生长及其光折变性能研究[J]. 刘淑杰,石连升,孙金超,段玉旺. 化学工程师. 2009(05)
[7]Hf:LiNbO3晶体的生长与其抗光损伤性能[J]. 刘波,毕建聪,李春亮,徐玉恒. 硅酸盐学报. 2008(11)
[8]不同Li/NbZr:Fe:LiNbO3晶体的生长及光折变效应的研究[J]. 于晓艳,荣宪伟,徐超,王旭宏. 人工晶体学报. 2008(04)
[9]铈系列双掺LiNbO3晶体光折变效应的研究[J]. 赵业权,王锐,王军,赵朝中. 人工晶体学报. 2000(04)
[10]1000幅数字图像的晶体体全息存储与恢复[J]. 李晓春,何庆声,金国藩,邬敏贤,严瑛白,宋修宇,徐玉恒. 光学学报. 1998(06)
博士论文
[1]钌铁系列铌酸锂晶体光折变及非挥发存储性能研究[D]. 徐超.哈尔滨工业大学 2013
[2]掺杂LiNbO3晶体光折变存储性能的研究[D]. 张春雷.东北林业大学 2013
[3]镁/铟/铪与钬双掺铌酸锂晶体微观结构和光学特性[D]. 代丽.哈尔滨工业大学 2011
[4]铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量[D]. 李敏毅.华南理工大学 2011
[5]铟铁铜掺杂铌酸锂晶体的制备及结构与光折变性能研究[D]. 毕建聪.哈尔滨理工大学 2009
[6]光折变晶体体全息识别系统相关峰均匀性及小型化的研究[D]. 袁威.哈尔滨工业大学 2009
[7]In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的蓝光光折变与双波长非挥发全息存储[D]. 骆素华.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]铪含量对镱铥铌酸锂晶体的缺陷结构和光学性能的影响[D]. 刘春蕊.哈尔滨理工大学 2019
[2]不同[Li]/[Nb]比的Zr:Yb:Nd:LiNbO3晶体的性能研究[D]. 谭超.哈尔滨理工大学 2019
[3]钪含量和锂铌比对钪钌铁铌酸锂晶体全息存储性能的影响[D]. 王路平.哈尔滨理工大学 2019
[4]基于铌酸锂的微液滴光操控行为研究[D]. 陈立品.河北工业大学 2017
[5]不同掺杂镁含量的镁镝铌酸锂晶体光学性能研究[D]. 阎哲华.哈尔滨理工大学 2017
[6]掺杂对LiNbO3晶体电光性能影响的实验研究[D]. 杜婉莹.天津大学 2017
[7]镁镱钬三掺铌酸锂晶体的制备和光学性能的研究[D]. 焦珊珊.哈尔滨理工大学 2016
[8]锂铌比变化铪锰铁三掺铌酸锂晶体生长及光折变性能研究[D]. 佟建强.燕山大学 2015
[9]锂铌比变化锆铜铁三掺铌酸锂晶体生长及全息存储性能[D]. 张欣.燕山大学 2015
[10]用于集成光学的稀土掺杂的铌酸锂晶体的制备[D]. 张文柱.天津大学 2012
本文编号：3061785
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铌酸锂晶体结构示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4图1-2Li2O-Nb2O5的二元相图Fig1-2BinaryphasediagramofLi2O-Nb2O5通过已有文献可知，通过提拉法制备的LiNbO3晶体内部常常为Li+离子不足而Nb5+离子过剩，即[Li]/[Nb]<1[30]。造成这一现象的原因是Li+离子，Nb5+离子半径分别为0.068nm和0.070nm，即两者大小差距极小，且均有畸变八面体将其包围并处在相似的晶格环境[31]。可是，在LiNbO3晶体中Nb5+-O2-键与Li+-O2-键相比，前者的键能要远远大于后者，这就导致上文晶体中[Li]/[Nb]比偏离化学计量比的现象。根据晶体内部电荷守恒原则，一部分Nb5+会通过占据Li位形成反位铌(4LiNb+)和锂空位(LiV)两种本征缺陷来确保内部的电中性。这就导致铌酸锂晶体的缺陷结构直接的影响到其物理和化学性质，同样令研究者们针对铌酸锂晶体的本征缺陷进行大量的研究。根据已有文献可知，对于本征缺陷的猜想主要分为以下三类：(1)氧空位模型铌酸锂晶体内部由于Li+数量的不足可以利用氧空位来中和多出来的电负性，其结构为[Li1-2xV2x]Nb[O3-xVx]，根据其结构式可知，当铌酸锂晶体中Li+浓度增加时，晶体内的氧空位浓度降低，从而令晶体密度增加。但是在实际测试中发现，增加晶体内Li+离子浓度并没有令密度增加，反而出现降低的现象。由于这种现象无法用氧空位模型完美解释，所以这一观点并未被人们采纳[32]。(2)铌空位模型铌酸锂晶体内部Li+数量的不足通过Nb5+离子进行补充，并生成一定数量的反位铌，然而反位铌的产生再次破坏铌酸锂晶体中的电性的平衡，所以通过引入铌空位来中和多出来的电负性，其结构为[Li1-5xV5x][Nb1-4xV4x]O3，但是这种结
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文92.2.2晶体制备仪器本实验晶体生长方式选择提拉法，晶体生长炉型号为TDL-J50A型单晶炉，该单晶炉可以通过观察窗在生长时直接观察生长状况，同时可在外部控制温度、转速，有利于生长出品质较高的单晶。所用的坩埚材料为铂金(熔点约1771°C)，所选原因为铌酸锂晶体的熔点为1260°C，且化学性质稳定不会与各个原材料发生反应，避免由于实验材料原因而导致的晶体不纯。加热方式为中频感应加热，电源为KGPF25-0.3-2.5型，实用中频感应加热的优点为热电偶位于坩埚正下方，易于调整高度和方便观察，而且在选择合适的保温材料和保温罩后可以很好地形成均匀温场，可以保证生长晶体的均匀性和高质量。图2-1为晶体炉内部的简单示意图。图2-1Hf:Fe:Cu:LiNbO3晶体生长炉结构简图Fig.2-1ThestructurediagramoftheHf:Fe:Cu:LiNbO3crystalgrowthfurnace2.3晶体的制备过程2.3.1原料的预烧结晶体生长前对各个原料的预处理有利于生长均匀且高质量的晶体，为后期的测试打好基矗首先根据设定的原料配比计算后的各原料质量精确称取，其中为提高精度针对LiCO3需提前进行水处理。然后将其加入晃料机后让其充分混合24小时，然后将其放入经过清洗的洁净坩埚中，处理方式为，首先利用焦硫酸钾煮沸，倒出后再加入1：1的氢氟酸和硝酸混合液继续煮沸，最后将坩埚铂金线圈籽晶杆白金坩埚氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷
【参考文献】：
期刊论文
[1]体全息存储研究现状及发展趋势[J]. 李建华,刘金鹏,林枭,刘佳琪,谭小地. 中国激光. 2017(10)
[2]Nonvolatile holographic storage in triply doped LiNbO3:Hf,Fe,Mn crystals[J]. 李晓春,屈登学,赵雪娇,孟雪娟,张玲玲. Chinese Physics B. 2013(02)
[3]基于LiNbO3晶体的透射式共光轴体全息存储技术[J]. 李建华,曹良才,谭小地,何庆声,金国藩. 光学学报. 2012(04)
[4]双掺杂铌酸锂晶体中铟杂质含量对光致折射率变化的影响[J]. 温静,陈宝东. 信息记录材料. 2011(04)
[5]Zn∶Mn∶Fe∶LiNbO3晶体的非挥发性存储[J]. 张春雷,范叶霞,徐超,方桂珍,关承祥,徐玉恒. 人工晶体学报. 2010(S1)
[6]铜铁双掺近化学计量比铌酸锂晶体生长及其光折变性能研究[J]. 刘淑杰,石连升,孙金超,段玉旺. 化学工程师. 2009(05)
[7]Hf:LiNbO3晶体的生长与其抗光损伤性能[J]. 刘波,毕建聪,李春亮,徐玉恒. 硅酸盐学报. 2008(11)
[8]不同Li/NbZr:Fe:LiNbO3晶体的生长及光折变效应的研究[J]. 于晓艳,荣宪伟,徐超,王旭宏. 人工晶体学报. 2008(04)
[9]铈系列双掺LiNbO3晶体光折变效应的研究[J]. 赵业权,王锐,王军,赵朝中. 人工晶体学报. 2000(04)
[10]1000幅数字图像的晶体体全息存储与恢复[J]. 李晓春,何庆声,金国藩,邬敏贤,严瑛白,宋修宇,徐玉恒. 光学学报. 1998(06)
博士论文
[1]钌铁系列铌酸锂晶体光折变及非挥发存储性能研究[D]. 徐超.哈尔滨工业大学 2013
[2]掺杂LiNbO3晶体光折变存储性能的研究[D]. 张春雷.东北林业大学 2013
[3]镁/铟/铪与钬双掺铌酸锂晶体微观结构和光学特性[D]. 代丽.哈尔滨工业大学 2011
[4]铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量[D]. 李敏毅.华南理工大学 2011
[5]铟铁铜掺杂铌酸锂晶体的制备及结构与光折变性能研究[D]. 毕建聪.哈尔滨理工大学 2009
[6]光折变晶体体全息识别系统相关峰均匀性及小型化的研究[D]. 袁威.哈尔滨工业大学 2009
[7]In:Fe:Cu:LiNbO3晶体的蓝光光折变与双波长非挥发全息存储[D]. 骆素华.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]铪含量对镱铥铌酸锂晶体的缺陷结构和光学性能的影响[D]. 刘春蕊.哈尔滨理工大学 2019
[2]不同[Li]/[Nb]比的Zr:Yb:Nd:LiNbO3晶体的性能研究[D]. 谭超.哈尔滨理工大学 2019
[3]钪含量和锂铌比对钪钌铁铌酸锂晶体全息存储性能的影响[D]. 王路平.哈尔滨理工大学 2019
[4]基于铌酸锂的微液滴光操控行为研究[D]. 陈立品.河北工业大学 2017
[5]不同掺杂镁含量的镁镝铌酸锂晶体光学性能研究[D]. 阎哲华.哈尔滨理工大学 2017
[6]掺杂对LiNbO3晶体电光性能影响的实验研究[D]. 杜婉莹.天津大学 2017
[7]镁镱钬三掺铌酸锂晶体的制备和光学性能的研究[D]. 焦珊珊.哈尔滨理工大学 2016
[8]锂铌比变化铪锰铁三掺铌酸锂晶体生长及光折变性能研究[D]. 佟建强.燕山大学 2015
[9]锂铌比变化锆铜铁三掺铌酸锂晶体生长及全息存储性能[D]. 张欣.燕山大学 2015
[10]用于集成光学的稀土掺杂的铌酸锂晶体的制备[D]. 张文柱.天津大学 2012
本文编号：3061785
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3061785.html
教材专著
