Infrared active phonon modes and ionicity of single crystal MgAl2O4

Near-normal incident infrared reflectivity spectra of （100） MgAl2O4 spinel single crystal have been measured at different temperatures in the frequency region between 50 and 6000 cm^-1. Eight infrared-active phonon modes are identified, which are fitted with the factorized form of the dielectric function. The dielectric property and optical conductivity of the MgAl2O4 crystal are analysed. From TO/LO splitting, the effective Szigeti charges and Born effective charges at different temperatures are calculated for studying the ionicity and the effect of polarization. Based on the relationship between the （LO-TO）1 splitting, which represents the transverse and longitudinal frequencies splitting of the highest energy phonon band in the reflectivity spectrum, and the ionic-covalent parameter, the four main phonon modes are assigned. MgA1204 can be considered as a pure ionic crystal and its optical characters do not change with decreasing temperature, so it may be used as a suitable substrate for high-Tc superconducting thin films.

掺杂晶体Cr^(3+)∶MgAl_2O_4晶格畸变及基态自旋哈密顿参量的理论研究

用自旋 Ｈａｍｉｌｔｏｎ 理论和 Ｎｅｗｍａｎ 的晶场叠加模型研究了 Ｃｒ３ ＋ ∶ Ｍｇ Ａｌ２ Ｏ４ 晶体结构与自旋哈密顿（ Ｓ Ｈ） 参量之间的定量关系；在此基础上，计算了 Ｃｒ３ ＋ ∶ Ｍｇ Ａｌ２ Ｏ４ 晶体的 Ｓ Ｈ 参量（ Ｄ，ｇ） 及精细光谱，计算结果与观测一致。定量的研究结果表明， Ｃｒ３ ＋ 离子掺入 Ｍｇ Ａｌ２ Ｏ４ 晶体后，络离子（ Ｃｒ Ｏ６）９ －的局域结构产生了一个压缩三角畸变（Δθ＝ ２ ．７２９°） 。理论研究还表明，自旋二重态对零场分裂（ Ｚ Ｓ Ｆ） 参量 Ｄ 的贡献大约为１６ ％ 左右，而对ｇ 因子的贡献不足１ ％ 。这表明，用 Ｚ Ｓ Ｆ 参量研究晶格畸变时，自旋二重态的贡献不可忽略。

蓝色GaN基LED和LD单晶基片——MgAl_2O_4晶体生长

近年来，国际上已研制成功ＧａＮ基蓝光ＬＥＤ和ＬＤ器件。为了获得高质量的ＧａＮ薄膜，必须要求基片材料具有良好的晶格匹配、优良的热稳定性和化学稳定性以及良好的机械性能等优点。ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体是目前性能优良的ＧａＮ基片材料之一。我们采用中频感应加热提拉法生长ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体，使用８０×７０ｍｍ的铱钳埚，拉速０．５～３ｍｍ／ｈ，转速１５～３０ｒ／ｍｉｎ。针对ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体高熔点（２１３０℃）和ＭｇＯ易挥发的特性，设计了特殊的温场结构和原料合成工艺，已成功地生长出＜１１１＞取向、最大直径达４５ｍｍ的ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体，晶体无云层、无气泡、无孪晶、无开裂，质量优良。已提供给国内外有关单位使用，他们已在我们的ＭｇＡｌ２Ｏ４晶片上获得高质量的ＧａＮ膜，并研制成功蓝光ＬＥＤ和ＬＤ。

MgAl_2O_4单晶双晶格的消除

近年来 ,MgAl2 O4单晶作为体声波器件的最佳传声介质材料及替代蓝宝石而成为GaN外延用的优选衬底材料而倍受关注。通过多年的研究 ,我们发现生长工艺的选择是能否顺利生长出MgAl2 O4单晶的关键 ,而对原料的配制方法 ,多晶料的烧结工艺及为保证原料组分不致偏离而采取的工艺处理是能否生长出高质量MgAl2 O4单晶的关键。研究表明 ,在MgAl2 O4晶体中存在双晶格 (即晶胞结构相同而晶格参数不同 )。这在国外报道及我们实测中都得到验证。双晶格的存在对晶体质量有明显的影响。首先是在定向上可造成 1～ 2°的偏差 ;第二 ,作为X衍射时的摇摆曲线出现双峰 ;第三 ,在退火后晶片上有明显的区域分界线 ,各区域颜色有明显差异。我们通过对多晶材料制备工艺的改进 ,消除了晶体中的双晶格共存的现象 ,也就消除了上述双晶格对晶体造成的影响 ,生长出了优质大尺寸的MgAl2 O4单晶。

MgAl_2O_4晶体缺陷的研究

ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体是一种高熔点（２１３０℃）、高硬度（莫氏８）的晶体材料。属面心立方结构，空间群为Ｆｄ３ｍ，晶格常数为０．８０８５ｎｍ。该晶格是一种优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用它制作的微波延迟线插入损耗小。另外，与Ｓｉ的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与Ｓｉ相近，因而外延Ｓｉ膜的形变歪扭小，制作的大规模超高速集成电路速度比用蓝宝石制作的速度要快。近来，国外又用ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体作超导材料，效果很好。但是ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体内部容易出现几种缺陷，对晶体实际应用影响很大。本工作针对ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体中几种缺陷进行研究。在同一种尖晶石的熔体中生长出的晶体，有两个晶格常数，两种结构共存于同一晶体中的情况，而晶格常数的值取决于尖晶石组分的摩尔比，引起晶体在生长过程中晶体局部首先溶解及熔液温度无规律起伏，当两种尖晶石在晶格中排列有规律时，不会引起定向偏差，晶体在１０００℃退火时不出现多相，这种晶体不影响器件性能。当温度梯度不合适或工艺参数不匹配时或其他原因，晶体中两种尖晶石的晶格排列不均匀而无规律，在晶体中出现多相而引起定向偏差，这样的晶体严重影响器件性能，无法使用。为此，在生长ＭｇＡｌ２Ｏ４晶体时，必须选好合?

MgAl_2O_4晶体的完整性研究

在微波段 ,MgAl2 O4单晶具有低的传声损耗 ,是制作低插损微波延迟线的理想材料。它还是理想的GaN外延用衬底材料 ,因为两者之间具有良好的晶格匹配和电、热及机械性能。但是要获得高质量的MgAl2 O4单晶较困难 ,MgAl2 O4单晶生长中容易产生多种缺陷 ,影响了晶体的实际应用。我们在生长MgAl2 O4单晶时发现 ,晶体表面容易出现混乱的花纹 ,其内部常伴随有白丝、云层等其它缺陷 ,严重时 ,晶体甚至不透明。上述缺陷都与组分过冷有关。对MgAl2 O4单晶来说 ,出现这种现象在高温下MgO比Al2 O3 更易于挥发 ,造成了熔体组分偏离同成分点。据此 ,我们采取了如下工艺措施 ,得到了高质量的MgAl2 O4晶体。首先 ,镁铝尖晶石的同成分配比为MgO∶Al2 O3 =1∶1 (摩尔比 )。但是在高温下MgO比Al2 O3 更易于挥发 ,故MgAl2 O4原料是通过化学反应间接得到。其次 ,为了抑制高温生长时MgO的挥发 ,避免偏离同成分配比 ,可在充入保护性气体的同时 ,充入适量的O2 。最后 ,温场梯度、工艺参数、单晶生长设备运行性能对缺陷的消除也有一定的影响。在采取这些措施后 ,生长出了沿〈1 0 0〉取向的 ,尺寸为5 0× 6 0mm的MgAl2 O4晶体 ,晶体表面光滑 ,无色透明 ,用于 5mWHe Ne激光器检查 ,无白丝、无云层、无气泡及散射颗料 。