尖晶石型铝酸镁基陶瓷光学性能研究

发布时间：2017-08-29 19:05

  本文关键词：尖晶石型铝酸镁基陶瓷光学性能研究

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【摘要】：MgAl_2O_4陶瓷具有良好的物理、化学性能,在光学材料、催化剂、耐火材料等领域应用广泛,如Ga掺杂MgAl_2O_4陶瓷有望用于制备闪烁器、过渡金属掺杂MgAl_2O_4陶瓷可用于制备可见光波段的可调谐固体激光器。然而,并未发现有理论计算研究Ga、Zn、Cu等元素的掺杂量对其掺杂MgAl_2O_4的光学性能的影响规律,也未见有实验对Zn、Cu掺杂的MgAl_2O_4陶瓷的光致发光光谱进行研究。因此,理论计算和实验制备研究Ga、Zn、Cu等元素掺杂MgAl_2O_4陶瓷的光学性能具有重要理论指导意义和应用价值。本文通过第一性原理计算研究了MAl_2O_4 (M=Mg、Zn、Cu)、MgGa_2O_4等纯物质以及Ga、Zn、Cu等元素掺杂MgAl_2O_4的结构参数和光学性能,采用常压烧结制备了Zn/Cu掺杂MgAl_2O_4陶瓷并研究了它们的光致发光性能,研究发现：本文计算的MAl_2O_4 (M=Mg、Zn、Cu)、MgGa_2O_4等纯物质的结构参数和光学性能与现有文献基本符合；当Ga的掺杂量小于25%、Cu的掺杂量小于12.5%时,它们分别掺杂的MgAl_2O_4保持正尖晶石结构,而Zn的掺杂量对掺杂MgAl_2O_4的结构参数没有很大影响；随Ga、Zn、Cu掺杂量增大,它们分别掺杂的MgAl_2O_4都是直接带隙材料且带隙逐渐减小,静态介电函数和折射率则逐渐增大,但在可见光区域都是透明的；900-C制备的纯MgAl_2O_4以及Zn/Cu掺杂的MgAl_2O_4粉体都已形成单一的尖晶石相；MgAl_2O_4陶瓷常压烧结的最佳温度和时间分别是1500℃和5h；1500℃烧结5h制得的Zn/Cu掺杂MgAl_2O_4陶瓷均已形成尖晶石型陶瓷,其光致发光光谱中的470nm发射峰强度分别在Zn掺杂量为0.3%和Cu掺杂量为0.5%时达到最大值；掺入Zn或Cu均会使MgAl_2O_4陶瓷650nm发射峰消失、降低720nm发射峰强度,但Cu的掺杂量对其720nm发射峰强度的影响更为明显——随Cu掺杂量增大而逐渐减小,在Cu掺杂量为1.0%时已基本消失；掺入的Zn/Cu会补偿Mg空位,从而使掺杂MgAl_2O_4陶瓷的650nm发射通道湮灭,720nm发射通道减少。
【关键词】：MgAl_2O_4基陶瓷 第一性原理计算 光学性能 溶胶-凝胶法 光致发光光谱
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 MgAl_2O_4陶瓷简介12-13
• 1.1.1 MgAl_2O_4晶体结构12-13
• 1.1.2 MgAl_2O_4陶瓷性能及应用13
• 1.2 MgAl_2O_4粉体制备技术13-16
• 1.2.1 共沉淀法13-14
• 1.2.2 高温固相法14
• 1.2.3 溶胶-凝胶法14-15
• 1.2.4 水热法15
• 1.2.5 燃烧法15-16
• 1.2.6 其他方法16
• 1.3 MgAl_2O_4陶瓷烧结技术16-18
• 1.3.1 常压烧结16
• 1.3.2 热压烧结16-17
• 1.3.3 真空烧结17
• 1.3.4 放电等离子烧结17
• 1.3.5 微波烧结17-18
• 1.4 MgAl_2O_4研究现状18-24
• 1.4.1 第一性原理计算研究18-20
• 1.4.1.1 纯MgAl_2O_4的计算18-19
• 1.4.1.2 掺杂MgAl_2O_4的计算19-20
• 1.4.2 实验研究20-24
• 1.4.2.1 MgAl_2O_4粉体和陶瓷研究20-23
• 1.4.2.2 掺杂MgAl_2O_4单晶和陶瓷研究23-24
• 1.5 研究意义与研究内容24-26
• 1.5.1 研究意义24-25
• 1.5.2 研究内容25-26
• 第二章 理论计算与实验方案26-34
• 2.1 第一性原理计算26-29
• 2.1.1 第一性原理计算相关理论26-29
• 2.1.1.1 薛定谔方程26
• 2.1.1.2 密度泛函理论简介26-27
• 2.1.1.3 交换关联能27
• 2.1.1.4 能带理论的基本近似27-29
• 2.1.2 CASTEP模块简介29
• 2.1.3 纯物质的结构参数和光学性能计算29
• 2.1.4 掺杂MgAl_2O_4的结构参数和光学性能计算29
• 2.2 实验制备29-34
• 2.2.1 MgAl_2O_4陶瓷的制备29
• 2.2.2 Zn/Cu掺杂MgAl_2O_4陶瓷的制备29-31
• 2.2.3 陶瓷物相分析及性能表征31-34
• 2.2.3.1 物相(XRD)分析31
• 2.2.3.2 表面形貌(SEM)分析31-32
• 2.2.3.3 光致发光光谱(PL谱)分析32-34
• 第三章 第一性原理计算34-80
• 3.1 纯物质的光学性能计算34-56
• 3.1.1 MgAl_2O_4的结构参数和光学性能34-41
• 3.1.1.1 MgAl_2O_4的结构参数35
• 3.1.1.2 MgAl_2O_4的能带和态密度35-36
• 3.1.1.3 MgAl_2O_4的弹性性能36-37
• 3.1.1.4 MgAl_2O_4的光学性能37-41
• 3.1.2 ZnAl_2O_4的结构参数和光学性能41-45
• 3.1.2.1 ZnAl_2O_4的结构参数41-42
• 3.1.2.2 ZnAl_2O_4的能带和态密度42
• 3.1.2.3 ZnAl_2O_4的弹性性能42-43
• 3.1.2.4 ZnAl_2O_4的光学性能43-45
• 3.1.3 CuAl_2O_4的结构参数和光学性能45-50
• 3.1.3.1 CuAl_2O_4的结构参数46
• 3.1.3.2 CuAl_2O_4平衡结构的能带和态密度46-48
• 3.1.3.3 CuAl_2O_4平衡结构的弹性性能48-49
• 3.1.3.4 CuAl_2O_4平衡结构的光学性能49-50
• 3.1.4 MgGa_2O_4的结构参数和光学性能50-56
• 3.1.4.1 MgGa_2O_4的结构参数51-52
• 3.1.4.2 MgGa_2O_4的能带和态密度52-53
• 3.1.4.3 MgGa_2O_4的弹性性能53-54
• 3.1.4.4 MgGa_2O_4的光学性能54-56
• 3.2 掺杂MgAl_2O_4的光学性能计算56-78
• 3.2.1 MgGa_yAl_(2-y)O_4的结构参数和光学性能56-64
• 3.2.1.1 模型与计算方法56-57
• 3.2.1.2 结构与电学性能57-61
• 3.2.1.3 弹性性能61-62
• 3.2.1.4 光学性能62-64
• 3.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4的结构参数和光学性能64-71
• 3.2.2.1 模型与计算方法64-65
• 3.2.2.2 结构与电学性能65-67
• 3.2.2.3 弹性性能67-68
• 3.2.2.4 光学性能68-71
• 3.2.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4的结构参数和光学性能71-78
• 3.2.3.1 模型与计算方法71-72
• 3.2.3.2 结构与电学性能72-75
• 3.2.3.3 弹性性能75
• 3.2.3.4 光学性能75-78
• 3.3 本章小结78-80
• 第四章 MgAl_2O_4基陶瓷制备80-98
• 4.1 MgAl_2O_4陶瓷80-87
• 4.1.1 MgAl_2O_4粉体制备80-81
• 4.1.1.1 前驱体的制备80
• 4.1.1.2 粉体的制备80-81
• 4.1.2 MgAl_2O_4陶瓷烧结81-87
• 4.1.2.1 烧结温度对MgAl_2O_4陶瓷PL谱的影响81-84
• 4.1.2.2 烧结时间对MgAl_2O_4陶瓷PL谱的影响84-87
• 4.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷87-92
• 4.2.1 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4粉体制备87-88
• 4.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷烧结及表征88-92
• 4.2.2.1 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的XRD分析88-89
• 4.2.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的SEM分析89-90
• 4.2.2.3 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的PL谱分析90-92
• 4.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷92-97
• 4.3.1 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4粉体制备92-93
• 4.3.2 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷烧结及表征93-97
• 4.3.2.1 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的XRD分析93
• 4.3.2.2 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的SEM分析93-94
• 4.3.2.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的PL谱分析94-97
• 4.4 本章小结97-98
• 第五章 结论与展望98-100
• 5.1 结论98
• 5.2 展望98-100
• 致谢100-102
• 参考文献102-110
• 附录A (攻读学位期间发表论文目录)110

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