硅酸钛钡高温压电晶体及其传感器件研究进展

压电材料作为重要的功能材料,由其制备的结构健康检测器件已被广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源和智能制造等的发展,各类高温工况环境对压电材料的性能提出了更高的要求,因此研制综合性能优异的高温压电材料并将其应用到具有更高服役温度的传感器件中受到了研究者的广泛关注。硅酸钛钡(Ba_(2)TiSi_(2)O_(8),BTS)晶体具有较高的电阻率、较低的介电损耗和优良的压电性能,是一种具有良好应用前景的高温压电单晶材料。本文主要介绍了BTS晶体的提拉法生长制备工艺、单晶电弹性能表征、材料相变调控以及采用该晶体为核心元件研制的声表面波传感器和高温振动传感器的研究进展,最后对新型高温压电晶体及其传感器件的研发进行了总结和展望。

提拉法生长平肩同成分铌酸锂晶体的研究

提拉法生长的晶体肩部形状普遍为斜肩,但斜肩的肩部质量差且加工难度大,会降低晶体的利用率,生长平肩晶体可以解决该问题。然而,平肩晶体对热场和扩肩工艺要求非常高,扩肩阶段易出现多晶和包裹体缺陷。铌酸锂晶体作为一种多功能晶体材料,在电子技术、光通信技术、激光技术及集成光子学技术等领域得到了广泛应用。本研究以同成分铌酸锂晶体为例,利用数值模拟和实验方法,研究了提拉法生长平肩晶体的热场和扩肩工艺。结果表明:提拉法生长平肩晶体时,放肩阶段结晶前沿的界面形状需保持微凸;反射屏降低(10 mm)可减小结晶前沿的温度梯度,避免肩部生成多晶;扩肩速度以监控为主,微调加热功率保证扩肩趋势,适当增大扩肩初期(ϕ≤30 mm)的速度,降低中后期(ϕ≥35 mm)的扩肩速度,可达到不产生包裹体和缩短放肩周期的目的;采用小幅度(Δt=10 min)微调拉速(Δv=0.2 mm/h)和功率的策略,可实现拉速(0~1.5 mm/h)的快速变化(1.5~2 h)而不影响晶体扩肩趋势和质量。使用优化后的热场和扩肩工艺,获得了系列三英寸平肩同成分铌酸锂晶体,晶体光学均匀性良好。

基于ISOMAP-DE-SVM的Cz单晶硅等径阶段掉苞预测

针对目测法无法及时发现直拉单晶硅在等径生长阶段发生的掉苞问题,本文提出一种基于ISOMAP-DE-SVM的掉苞预测模型,可以在掉苞现象发生之前发出警告。首先剔除方差较小的参数,采用斯皮尔曼相关系数法剔除冗余参数,采用最大互信息法检验剩余参数的非线性相关性;然后将关键参数的均值和标准差作为等度量映射和多维放缩的输入,得到两份样本数据;最后将这两份样本数据分别输入到经过差分算法、遗传算法优化的支持向量机预测模型,得到4份预测结果。预测结果表明:基于ISOMAP-DE-SVM的预测模型具有收敛速度快、准确度高的特点,平均预测准确率可以达到96%;同时,所使用的方法揭示了单晶硅等径阶段的数据具有非线性特点。通过实际应用验证表明模型具有一定的工程实用价值。

新型(Sr_(0.5)Ca_(0.5))_(3)Ta(Ga_(0.5)Al_(0.5))_(3)Si_(2)O_(14)高温压电晶体的生长及性能表征

硅酸镓镧系列晶体因具有较高电阻率和优异的压电性能被认为是高温传感器应用的优选材料。本文在国际上首次采用提拉法成功生长了新型(Sr_(0.5)Ca_(0.5))_(3)Ta(Ga_(0.5)Al_(0.5))_(3)Si_(2)O_(14)(SCTGAS)高温压电晶体,并研究了离子取代对晶体生长及电学性能的影响。生长的SCTGAS晶体无色,结晶质量较好,呈现出板面生长形态,在可见光波段具有较高的透过性。在450℃测试温度下,该晶体的电阻率仍高于109Ω·cm。此外,Sr取代能够显著增强晶体的高温压电系数d11,550℃时该值达到5.55 pC/N。因此,SCTGAS晶体在高温压电传感器领域展现出良好的应用潜力。

大尺寸Tm∶YAP复合激光晶体的生长与性能研究

采用感应加热提拉法,通过改进热场、更换原料、二次熔接生长,直接生长出了直径大于40 mm的Tm∶YAP/YAP复合晶体毛坯。复合晶坯等径部分YAP段长21 mm,Tm∶YAP段长44 mm,晶坯外观完整,具有良好的光学均匀性和均匀的应力分布。绿光激光和He-Ne激光照射下,晶坯复合界面无散射、无气泡。复合界面两侧干涉条纹基本连续,透过波前差异小。从复合晶坯上加工出了直径5 mm、总长30 mm、端头不掺杂YAP晶体长4 mm的单端Tm∶YAP复合晶体元件,其光学质量优异。在1940 nm固体激光器上采用激光二极管单端泵浦进行了激光性能测试,在泵浦注入功率为117.7 W条件下实现了42.8 W激光输出,输出功率、转换效率和光斑质量均优于非复合激光晶体。

Tm∶YAG晶体的生长及吸收特性

采用提拉法生长出三种掺Tm3 + 浓度的Tm∶YAG晶体。运用ICP AES测定Tm3 + 离子在Tm∶YAG晶体中的分凝系数约为 1。室温下测定了Tm∶YAG晶体在 190～ 90 0nm之间的吸收光谱及 10 0 0～ 4 5 0 0cm-1范围内退火前后的红外吸收谱。测试结果表明 ,退火后 336 5cm-1处OH-1离子的吸收峰完全消失。说明在空气气氛下对Tm∶YAG晶体进行退火处理改善了晶体的性能。

Nd:Gd_3Ga_5O_(12)多晶原料合成及单晶生长研究

通过对晶体生长时和生长后原料挥发物的XRD分析,发现在炉膛内壁上的挥发物质是Ga2O3和Ga2O的混合物,而观察窗口及后加热器内壁上的挥发物主要是Gd2O3。为避免原料中Ga2O3的挥发,按化学计量比配料,在1300℃下,采用固相反应法合成了Nd∶Gd3Ga5O12(Nd∶GGG)多晶原料。用此多晶原料,采用提拉法进行了Nd∶GGG单晶生长研究,所获单晶的荧光发射峰位于1061 54nm。对晶体表面的开裂现象进行了分析。

Ce∶LuAlO_3晶体的热稳定性研究

铈掺杂铝酸镥(Ce∶LuAlO_3)晶体是一种具有钙钛矿结构的新型无机闪烁体。用提拉法试图从n(Lu2O3)∶n(Al2O3)=1∶1的熔体中生长Ce∶LuAl O3晶体。实验表明在缓慢结晶条件下得到的不是Ce∶LuAlO_3晶体,而是镥铝石榴石[Lu3Al2(Al O4)3]。只有急速降温才能够获得Ce∶LuAl O3晶体。退火和差热分析表明Ce∶LuAl O3晶体只存在于高温条件下,当温度下降时,它会分解成Lu3Al2(Al O4)3,Lu4Al2O9和Lu2O3。造成LuAl O3晶体在低温下结构不稳定的原因是Lu离子的半径太小,它只适应于配位数是8的石榴石结构,只有在高温下才能适应配位数是12的钙钛矿结构。

提拉法晶体生长数值模拟研究进展

数值模拟方法是了解晶体生长过程中各种物理现象和问题的重要手段,可以为晶体生长工艺参数的设定、温场设计等提供参考。本文介绍了最近几十年来数值模拟技术对提拉法生长晶体过程中物理问题的研究进展,同时对晶体生长过程中界面形状、液流、速度场、温度场、各种输运过程以及工艺条件和参数对晶体生长的影响等的数值模拟进行了介绍。

Yb∶Ca_5(PO_4)_3F激光晶体的生长缺陷

采用提拉法生长了质量优异的Yb∶Ca5(PO4)3F(Yb∶FAP)晶体。运用化学腐蚀,光学显微镜、扫描电子显微镜以及能量散射光谱仪观察了该晶体中的生长条纹和包裹物等宏观缺陷,以及晶体的位错腐蚀形貌、位错密度及其分布情况,同时观察了晶体中亚晶界的形态。由晶体中位错的径向变化以及生长条纹可知:晶体在生长过程中为微凸界面生长。高温下CaF2的挥发造成了在晶体生长后期熔体中组分偏离化学计量比,出现组分过冷,形成包裹物,且位错密度显著增加。Yb∶FAP晶体的各向异性使得晶体在(10 10)面的位错蚀坑形状、大小以及深度不同,而(0001)面的位错蚀坑呈规则的六边形;这也是晶体中形成亚晶界结构的主要原因。讨论了减少晶体中缺陷的一些方法。

Φ100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体生长及闪烁性能研究

为了满足具有飞行时间技术特点的正电子发射断层扫描仪(TOF-PET)对光输出高、衰减时间短以及上升时间快的Ce∶LYSO闪烁晶体的需要,本文采用中频感应提拉法生长Φ100 mm×100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体。晶体整体无色透明、无包裹体。经过紫外可见分光光度计测试,晶体透过率接近理论值,质量较好。将晶体切割研磨抛光后,分别进行脉冲高度谱、衰减时间能谱等测试。在137Cs放射源激发下,Ca∶Ce∶LYSO晶体的光输出达到33962 ph/MeV,能量分辨率为8.6%,衰减时间达到36.70 ns,均优于Ce∶LYSO晶体。通过对晶体轴向及尾部径向取样,相对光输出和能量分辨率不均匀性分别为±2.4%、±9.4%及±1.18%、±6.8%,证明晶体具有较好的均匀性。

近化学计量比^7LiNbO3晶体的生长和基本性能

为利用中子散射技术更好地研究铌酸锂晶体的结构缺陷,以Nb2O5和同位素的7LiOH为原料,采用提拉法从58.5%的7Li熔体中成功生长了近化学计量比的同位素7LiNbO3晶体。晶体质量约为35 g,室温下晶体密度为4.634g/cm3,采用差热热重(DTA/TG)分析仪测得晶体熔点为1223℃,在室温至1250℃范围内晶体重量未发生变化。室温下晶体在500～3200 nm波段平均透过率达74%,OH-吸收峰位置在2877 nm,利用紫外吸收边法测得晶体中7Li含量为49.46%。在633 nm波长下,利用c切晶片,测得晶体的折射率为no=2.2872,ne=2.1909。

晶格匹配氮化镓和氧化锌基外延薄膜衬底材料ScAlMgO_4晶体生长研究

采用提拉法成功生长了氮化镓和氧化锌基外延薄膜晶格匹配的ScA lMgO4单晶衬底材料,晶体呈透明白色,尺寸为30mm×59mm,表面部分沿解理面有裂纹。粉末X射线衍射(XRD)分析表明经1400℃固相反应烧结的原料基本合成了ScA lMgO4多晶相。初步的偏光显微镜观察、晶体的粉末XRD表征、透过光谱和双晶摇摆测试表明晶体具有较好的光学性质和结晶质量。研究表明晶体本身的层状结构、较大的温度梯度和热应力的不均匀性是生长过程中引起晶体开裂的几个主要原因。

Ca_(0.4)Ba_(0.6)Nb_2O_6晶体的生长和低温拉曼光谱研究

采用提拉发生长了Ca0.4Ba0.6Nb2O6晶体,利用偏振拉曼光谱研究了Ca0.4Ba0.6Nb2O6晶体在低温25～260 K范围内的结构稳定性。实验发现,随温度降低,NbO6六面体的内振动(ν5)模的非对称性增加,由Gauss+Lor Amp拟合得出的相对低频(ν5)模波数和相对高频(ν5)模峰宽在70～100 K时发生突变,表明该晶体在此温度范围内可能存在相变。同时分别讨论了在x(zz)x和x(zy)x不同偏振配置下,外振动模的相对强度比随温度的变化趋势,同样发现其在该温度范围内发生明显异常。最后简单讨论了布居因子对拉曼散射强度和实验结果的影响。

无机闪烁晶体的生长技术

综述了无机闪烁晶体的提拉法、下降法、热交换法、浮区法、泡生法、助熔剂法等生长技术,其中最常用的是前两种方法。同时就某些典型的闪烁晶体讨论了上述生长技术的优缺点。

正钒酸钙晶体的生长及退火的研究

本文报道了Ca3(VO4 ) 2 晶体的生长 ,指出了由于局部区域温度过高引起原料分解产生气泡 ,光加热浮动熔区法不适合于生长这种晶体。采用了Czochralski法在合适的温场、提拉速度为 3mm/h、转速 10～ 2 0r/min等工艺条件下成功地长出了2 4× 38mm的晶体。

基于模型的晶体生长控制技术的研究

上称重提拉法晶体生长模型由上缩颈、放肩、等颈、收肩、下缩颈和收尾拉脱等组成,每种晶体分别配有不同的生长模型,由监控站根据工艺要求指定执行对应的生长程式。为确保生长程式的集中发布和准确执行,系统采用基于Modbus-TCP的可编程控制器,将生长工艺发送至生产设备。晶体重量与温度回路采用串级控制,数据表明晶体生长稳定,等颈误差小于±0.2 mm。

有机晶体闪烁体生长的熔体法及其特点

闪烁体探测器是最常用的辐射探测器之一,闪烁体是闪烁体探测器的核心探测材料。有机晶体闪烁体具有较高的发光效率,是闪烁体中最有优势的辐射探测材料,但是由于有机材料在熔点温度下具有较高的蒸汽压、热不稳定性和较差的热导率,导致有机晶体闪烁体的制备条件非常苛刻。有机晶体的制备方法主要是熔体法和溶液法,对使用最广泛的熔体法进行了综述,总结了熔体法中布里奇曼技术和恰克拉斯基技术的特点、所用的典型的结晶器结构,分析了各方法中影响有机晶体闪烁体生长的影响因素。