稀土倍半氧化物晶体材料研究进展

稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首,这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果,因此,开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2400℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用,导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用,揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制,开发大尺寸晶体生长技术是目前需要亟待解决的关键科学挑战和技术瓶颈。

高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备

发展高端激光制造技术与装备可促进我国传统制造业转型升级。由天津大学牵头的国家重点研发项目"高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备"针对性能优良的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体生长工艺与集成装备,及硬脆激光晶体的高效低损伤超精密磨削、抛光工艺与装备等研发难题,开展晶体生长、加工工艺和装备的重大共性关键技术研究。项目预期发展具有自主知识产权、国际先进水平的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体的生长工艺及装备、加工工艺及装备。研制出的高精度大径厚比倍半氧化物激光晶体元件为高功率先进激光器提供核心元件,将会在增材制造、激光制造、信息产业等国家需求的重点领域开拓战略性的新兴产业。

高熔点稀土倍半氧化钪(Sc_(2)O_(3))晶体的生长

本文通过自主研发制造新型高温晶体生长炉,并采用热交换-温度梯度法的热场结构,从而克服了高温环境下坩埚污染。调节热场结构并引入循环气,增大了温度梯度并改善了结晶驱动力不足的问题。用热交换-温度梯度法生长了2英寸(1英寸=2.54 cm)级的氧化钪(Sc_(2)O_(3))晶体,这一结果是目前已知的最大尺寸的倍半氧化物单晶。氧化钪晶体呈现无色透明,外形完整、内部无气泡或其他可观察到的宏观缺陷。尺寸为ϕ55 mm×50 mm。其中放肩部分高度15 mm,等径生长部分的高度为40 mm。块状晶体的XRD谱只有(222)与(444)峰,可判定为单晶体,双晶摇摆曲线半高宽(FWHM)为113″,显示较好的结晶性能。