CdSiP2晶体中光散射颗粒的研究

采用单温区法合成了CdSiP2（CSP）多晶原料,然后采用垂直布里奇曼法生长了大尺寸的CSP单晶。采用扫描电子显微镜、EDS对晶体中光散射颗粒的尺寸、形貌和成分进行了观察和检测。测试结果表明,所生长的CSP晶体中的光散射颗粒呈近椭圆形,尺寸为2~8μm,主要成分为Si,含量占88%以上。对CSP多晶合成的反应机理研究表明,此第二相颗粒是由于合成时多晶料中残留有少量未反应的Si单质所致。通过合成工艺的改进,有效地减少了晶体中Si散射颗粒的残留,制备出了高透明性的CSP单晶体。

中红外非线性光学晶体CdSiP2的合成与生长

本文以P,Si,Cd为原料采用双温区法合成出140 g的高纯CdSiP2多晶料锭,分别采用自发形核和施加籽晶的垂直Bridgman法生长出∅12 mm×40 mm和∅15 mm×50 mm优质CdSiP2单晶体。所生长的晶体中无宏观散射颗粒,(004)面的单晶摇摆曲线的半峰宽为40″。透过光谱表明CdSiP2晶体在2~6.5μm的透过率达到57%,接近其理论最大值。辉光放电质谱检测到晶体中含有少量的Fe、Cr、Mn、Ti等过渡金属。电子顺磁共振波谱检测到Fe+和Mn^2+的存在,这些杂质可能会引起晶体在近红外波段的光学吸收。

CdSiP_2多晶合成的热力学研究

采用离子型化合物函数模型,对CdSiP2多晶合成过程的反应焓、熵、Gibbs自由能以及化学平衡常数等热力学参数进行了计算,在1473 K合成CdSiP2多晶时,系统的焓变ΔrHT<0,熵增加值ΔrST为负,Gibbs自由能ΔrGT=-29.68 kJ/mol,平衡常数KT=11.289。结果表明:在1473 K合成CdSiP2多晶,化合反应速率很大,反应充分,产物生成率高,系统趋于稳定。根据计算结果提供的温度1473 K进行CdSiP2多晶合成实验,获得了外观呈紫红色,完整致密的多晶锭,经X射线衍射和光电子能谱分析表明,合成产物为高纯、单相的CdSiP2多晶材料。采用合成的多晶料为原料进行单晶生长,获得了结晶性较好的CdSiP2单晶体。

CdSiP_2多晶杂相分析与合成工艺改进

以高纯(6N)Cd、Si、P单质为原料,按CdSiP2化学计量比并适当富磷配料,采用传统气相输运法合成出CdSiP2多晶。X射线衍射(XRD)分析及Rietveld全谱拟合精修结果表明合成产物中含有微量SiP和CdP2杂相,分析了杂相产生的原因。针对存在的问题改进合成工艺,引入高温熔体机械和温度振荡以及分步控温冷却等新工艺,获得了外观完整、内部致密均匀的CdSiP2多晶。XRD及能量色散谱仪(EDS)分析结果表明,合成产物为高纯单相CdSiP2多晶,为高质量单晶体的生长奠定了可靠基础。以改进工艺获得的CdSiP2多晶为原料生长出质量较好的单晶体,厚度为2 mm的晶片样品在1500～7000 cm-1范围内的红外透过率在45%以上,计算出晶体的禁带宽度为2.09 eV。

CdSiP_2晶体的生长与热膨胀性质研究

设计出PBN内衬的逐层减压石英生长安瓿,采用改进的垂直布里奇曼法,获得了完整无开裂的CdSiP2晶体,尺寸达15mm×65mm。采用高分辨X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱仪对生长的晶体进行测试表明,生长晶体化学成分非常接近CdSiP2的理论化学配比,结晶性良好。运用红外分光光度计以及红外显微镜对厚度2mm的CdSiP2晶片进行了红外光学性能测试,结果表明,在2~5μm范围内的红外透过率在53%以上,晶片的红外透过率均匀性接近90%。对CdSiP2晶体a轴方向与c轴方向的热膨胀系数αa和αc分别进行了测定,在温度620K时,a轴方向的热膨胀系数αa高达4×10-6K-1,几乎为αc的三倍。计算得到Cd-P键rCd-P的热膨胀系数为17×10-6K-1,比Si-P键rSi-P大得多,采用电子结构理论分析了CdSiP2晶体各向异性热膨胀机理。

CdSiP_2单晶退火研究

以高纯(6N)Cd、Si、P单质为原料,采用双温区气相输运法和改进的垂直布里奇曼法合成生长出等径尺寸为Φ17 mm×65 mm的CdSiP_2单晶锭,经切割抛光得到CdSiP_2晶片。将样品分别置于真空、镉气氛、磷气氛和在同成分粉末包裹中进行了退火试验。采用X射线能量色散谱仪(EDS)和傅里叶红外分光光度计(FTIR)对退火前后的晶片组分及红外透过谱进行了测试分析。结果表明:四种氛围退火前后样品的组分变化不大,原子比接近理想的化学计量比;镉气氛下退火对晶片的红外透过率改善较为显著,在1600~4500 cm^(-1)范围内的红外透过率由46%~52%提高到51%~57%,接近CdSiP_2晶体红外透过率的理论值。

制备CdSiP_2单晶体的研究进展

磷硅镉(CdSiP_2)晶体是一种性能优异的新型红外非线性光学晶体材料。自上世纪60年代末期,人们尝试采用卤素辅助气相输运和锡熔液生长法生长CdSiP_2晶体,但得到的晶体尺寸小、质量差,不能满足器件制备的要求。水平梯度冷凝法虽然可以生长较大尺寸晶体,对生长技术和设备条件的要求较高,生长环境不稳定,无法解决化学计量偏离和孪晶缺陷等的问题。近年来,采用布里奇曼法获得了尺寸较大、质量较好的CdSiP_2单晶体,为激光频率转换器件的制备奠定了基础,但晶体性质参数的缺乏、生长工艺的不成熟与难以避免的宏观缺陷严重制约了器件的应用,也是亟待解决的问题。

CdSiP_2单晶生长及防爆工艺研究

对磷硅镉（CdSiPz）单晶生长过程中发生爆炸的原因进行了分析，设计出新型的逐层减压坩埚。通过在内外层坩埚之间的空腔内加入适量CdSiP2粉末产生的蒸气压，平衡和降低了晶体生长过程中坩埚内壁承受的压力，实现逐层减压，从而减小了内层坩埚形变，降低了生长容器爆炸的几率。同时，改进了布里奇曼生长法的降温工艺，生长出尺寸达＋14mm×32mm的CdSiP：单晶体。X射线分析表明单晶衍射面为（204）晶面，回摆峰半峰宽值为0．434，衍射谱峰强度高，具有良好的对称性；晶体在1500—7500cm。波数范围的红外透过率达55％，吸收系数为0．10～0．17cm-1。电阻率1．3×107Ω．cm。

坩埚材料对生长CdSiP_2晶体表面的影响研究

针对CdSiP_2晶体生长过程中,晶体表面与石英坩埚内壁严重粘连甚至开裂的问题,研究了柔性氮化硼(PBN)内衬坩埚生长CdSiP_2晶体的新工艺。运用X射线能量色散谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)分别对两种坩埚材料生长的CdSiP_2晶体表面元素成分和化学状态进行测试发现,采用石英坩埚生长的CdSiP_2晶体表面主要组分元素为33.31%的Si和65.63%的O,晶体表面Si2p的结合能为103.2 e V,与文献中SiO_2的Si2p结合能一致。进一步的分析表明,高温CdSiP_2熔体离解产物与石英材料反应生成SiO_2界面层是导致晶体严重粘连,甚至开裂成碎块的重要原因;采用柔性氮化硼(PBN)内衬坩埚能有效解决晶体与器壁的粘连,生长的CdSiP_2晶体完整较好,表面层各组分元素含量接近CdSiP_2理论化学配比1∶1∶2,质量较高。

CdSiP_2多晶提纯与单晶生长

采用重结晶技术,对CdSiP_2多晶进行快速下降提纯,以提纯后的晶锭为原料,利用改进的垂直布里奇曼法生长出CdSiP_2单晶体,尺寸达Φ18 mm×51 mm。经能量色散仪(EDS),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)以及电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测试表明,重结晶提纯能有效降低CdSiP_2多晶中Fe、Mn等影响晶体性能的微量元素含量,获得高纯四方黄铜矿结构的CdSiP_2多晶材料。采用X射线衍射仪和红外傅立叶变换分光光度计分别对生长的CdSiP_2单晶体自然解理面与厚度2 mm的CdSiP_2晶片进行测试,获得了{101}晶面族六级衍射峰,晶片在2~7μm波段范围的红外透过率高于53%,对应的吸收系数低于0.09 cm-1。上述研究结果表明,采用提纯后原料生长的CdSiP_2单晶体结晶性好,光学性能优良,可进一步用于制作CdSiP_2激光频率转换器件。

磷硅镉多晶合成的防爆工艺研究

分析了磷硅镉(CdSiP2)多晶合成过程中产生爆炸的原因。采用双层石英安瓿作为反应容器和低温区域在炉管中部的合成炉。在合成低温阶段采用气相输运技术使原料分步反应,防止P蒸气压过高引起爆炸,在合成高温阶段采用机械振荡与熔体温度振荡相结合的方法使元素化合反应充分、完全,避免了合成中间产物聚集引起容器爆炸,成功合成出了完整、光滑、致密的CdSiP2多晶锭。采用X射线衍射(XRD)对多晶锭进行分析,结果表明:合成材料为高纯单相的CdSiP2多晶体,为CdSiP2单晶体的生长奠定了可靠基础。

磷硅镉的差热分析与晶体生长（英文）

利用毛细管中的差热分析研究了磷硅镉晶体的热力学性质,得到了磷硅镉的熔点和凝固点分别为1139和1126℃,过冷度为13℃。根据差热分析结果,对晶体生长炉以及温场分布进行了优化,采用改进的布里奇曼法生长得到了直径15 mm,长40 mm的无开裂磷硅镉晶体。利用X射线衍射,能谱以及红外分光光度计对晶体进行了表征。发现了(112)解理面,能谱测试表明晶体符合化学计量配比,在7000~1500 cm^(-1)红外透光范围内红外透过率达到55%。所有表征手段显示得到的晶体结构完整,光学性能良好,可用于器件的制作。

CdSiP_2晶体退火及对红外光学性能的影响

采用改进的布里奇曼法生长出Cd Si P_2单晶体,运用X射线能谱仪、傅里叶变换红外分光光度计以及红外显微镜等对在不同气氛中退火前后的Cd Si P_2晶体进行了组分元素、红外吸收系数以及红外透过均匀性测试,根据红外显微镜Mapping图像的标准差值评判了晶体的红外透过均匀性。研究结果表明,经真空、Cd Si P_2粉末包裹、P/Cd（原子比为2：1）、Cd气氛等退火后,晶体组分元素的化学计量比、红外吸收系数和红外光学均匀性都得到了不同程度的改善,其中在1.29～2.00μm,经Cd Si P_2粉末包裹退火后的晶体吸收系数改善显著,在1.92～1.98μm波段的红外透过均匀性提高了14.06%;而在Cd气氛下退火后晶体的吸收系数在2.00～6.50μm波段降低最为明显,在2.70～2.78μm波段红外透过均匀性提高了17.43%。分析讨论了在上述波段中引起晶体红外吸收和红外透过不均匀性的主要因素,研究出较为有效的Cd Si P_2晶体退火工艺。