2.5～5.0μm波段中红外激光晶体的生长和性能研究

中红外激光在大气污染监控、气体流量监测、海洋探测、激光医疗、军事对抗、基础科学研究等方面具有极其重要的价值.本文总结了近年来2.5~5.0μm波段中红外激光晶体的生长、物化、光谱及激光性能研究进展.采用提拉法生长出了一系列Er~(3+)激活及稀土离子共掺的低声子能镓酸盐、铝酸盐晶体,如Gd_3Ga_5O_(12)(GGG),SrGdGa_3O_7,SrLaGa_3O_7,CaYAlO_4和CaGdAlO_4等晶体,Ho~(3+)激活及敏化离子共掺的GGG晶体,以及Dy~(3+):YAlO_3等晶体,实现了2.5~3.4μm波段的发光.采用坩埚下降法生长出高质量Dy~(3+):KPb2Cl5,Cr~(2+):CdSe,Cr~(2+):Fe~(2+):CdSe等晶体,实现了2.5~5.0μm波段的发光.系统地研究了这些晶体的物化和光谱性能.重点研究了Er~(3+)激活离子在中红外波段的荧光动力学:分析了激活离子的浓度效应、共掺敏化离子的敏化机制以及退激活离子在抑制自终态效应方面所起的作用,计算了激活离子与共掺敏化离子、激活离子与共掺退激活离子之间的能量传递效率,诠释了能量传递机制.根据光谱性能研究结果,筛选出不同晶体中Er~(3+)的最佳掺杂浓度、共掺敏化离子及退激活离子的种类和浓度.研究了Er~(3+)激活的GGG和CaYAlO_4等晶体的激光性能.采用965nmLD端面泵浦Er:GGG,Er,Pr:GGG和Er:GGG/GGG键合晶体,采用氙灯泵浦Cr,Er:YSGG等晶体,均实现了高效的2.7~2.8μm多波长连续或脉冲激光输出,并在Er:GGG晶体上首次实现单纵模微片激光输出.     

稀土闪烁晶体研究进展

稀土闪烁晶体能够将高能射线/粒子转换为紫外或可见荧光脉冲,是核辐射探测的关键材料.从元素组成出发,将稀土闪烁晶体分为卤化物和氧化物两大类,总结了典型稀土闪烁晶体的基本闪烁性能及结晶学结构特征.稀土离子独特的4f电子结构使其具有优异的发光性能.一方面,具有完全自旋宇称允许的5d→4f跃迁的稀土离子Ce~(3+),Pr~(3+),Eu~(2+)可作为闪烁晶体的发光中心,能够有效提高闪烁响应能力.稀土离子4f轨道被外部5s25p6轨道屏蔽,受外界环境影响较小,而5d轨道裸露在外,与周围环境相互作用较强,稀土闪烁晶体的组成和结构特性决定了其闪烁性能.另一方面,Y~(3+),La~(3+)(4f~0),Lu~(3+)(4f~(14))属于光学惰性稀土离子,是基质材料的理想化学组成.结合稀土卤化物、稀土铝酸盐、稀土硅酸盐等典型稀土闪烁晶体的组成设计和大块晶体生长进展,以及针对我国闪烁晶体专利保护特点和发展中存在的问题,展望了稀土闪烁晶体的未来发展方向.     

配位多面体生长机理模型与晶体的生长习性

从阴、阳离子在界面上互相配位的角度介绍一种新的生长机理模型——配位多面体生长机理模型. 指出了生长基元进入晶格的驱动力为离子之间的静电引力,其相对大小由界面上的离子络合母相中一个离子后的静电键强近似测定.讨论了NaCl,ZnS,CaF₂和CsI晶体的生长习性,提出了一种新的生长习性规则. 即当晶体的生长速度由台阶产生速度决定时,晶体的生长习性与晶体结构中配位能力最小的离子在界面上的配位数有关,离子在界面上的配位数越小,该晶面的生长速度越快. 当晶体生长依靠台阶移动速度时,晶体的生长习性与晶体结构中配位能力最小的离子在界面上的密度有关,在界面上离子的密度越小,该晶面的生长速度越快.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

β—PbF2：Gd晶体常温下闪烁性能的探索

用Bridgeman Stockbarger法生长出了掺Gd质量分数为 0 1 5 %的立方氟化铅 ( β PbF2 :Gd)晶体 .将其切割、抛光制成 2 0mm× 2 0mm的试样 ,分别用13 7Cs和AGS上强度为 1GeV的束流为激发源 ,测量了该晶体的光输出和衰减时间 .结果表明β PbF2 :Gd晶体在常温下能够产生微弱的闪烁光 ,光输出约为 6光电子 /MeV ,而且大部分光输出都是在时间门宽 <30ns的范围内测到的 ,在 1 μs范围内没有发现慢分量 .X射线激发下的发射光谱表明 ,β PbF2 :Gd晶体的 2 77和 31 2nm发光峰分别对应于Gd3 +离子的6IJ→8S7/2 和6PJ→8S7/2 能级跃迁 .     

纳米胶体团聚现象的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟可极化纳米胶体在非均匀电场下的介电泳情况,通过改变电场强度和系统温度,分析纳米胶体的团聚现象.常温状态下的仿真结果表明,虽然布朗力能影响纳米胶体的介电泳状况,但当纳米胶体之间的距离小于12σ时,其相互吸引力迅速增大,从而克服布朗力影响,使胶体产生团聚.当布朗力对胶体运动影响较小时,电场强度增大使得胶体所受的介电泳力增大,相应地胶体所受的吸引力也增大,最终导致胶体的聚集速度变快.仿真结果也显示系统温度的升高使得胶体所受的布朗力增大,从而影响纳米胶体的团聚.最后,采用DLVO理论对相互作用的胶体运动状态进行研究,得出胶体的位能曲线图和胶体间吸引力随胶体中心距变化的曲线图,并将后者与分子动力学方法得出的结论进行对比,发现这两条曲线的变化趋势基本相同,这说明本文的仿真模型是符合理论的.     

KDP(DKDP)晶体中液相包裹散射的形成

利用原子力显微镜(AFM)观察、研究了杂质对KDP (DKDP)晶体中液相包裹散射形成的影响. 对液相散射形成机理和溶液过饱和度的影响进行了探讨, 结果表明杂质和溶液的过饱和度是加重晶体散射的重要原因.     

银氨溶液浸润的二氧化硅微球表面的银镜反应

采用银镜反应的方法,实现了在二氧化硅微球表面纳米银粒子的制备.通过改变反应温度、银氨溶液的浓度、还原剂的种类以及离心洗涤的次数,可以时纳米银粒子的粒径、包覆程度和反应速度进行调节.纳米银粒子包覆的二氧化硅胶体微球的微观结构可利用透射电子显微镜(TEM)进行表征.     

三掺杂化学计量比钽酸锂晶体的非挥发光存储性能

采用顶部籽晶助熔剂法生长了三掺杂近化学计量比Mg:Fe:Mn:Li Ta O3晶体,通过红外吸收光谱和居里温度研究了晶体缺陷结构.以蓝色激光为光源,获得了优异的光折变性质;采用多波长技术,研究了单晶的非挥发全息存储性能,得到了较高的固定衍射效率和灵敏度.蓝光具有较高能量,足以激发深(Mn)浅(Fe)陷阱中心的空穴,这大大提高了蓝光光折变性质和非挥发存储能力.在蓝色激光下,Mg2+不再是光损伤离子,而可以提高光折变特性.采用476 nm激光记录光栅,633 nm激光读取,在2.0 mol%Mg2+掺杂的晶体中获得了62.5%的固定衍射效率,非挥发全息存储的灵敏度提高到0.335 cm/J.     

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.     

基于等离子体X射线多通道弯晶谱仪的设计与研究

为诊断0.165～0.775 nm和0.014～0.165 nm范围的软硬X射线,研制了一台多通道(四个反射通道和一个透射通道)柱面晶体谱仪.利用光电检测单元获得了由Qz、LiF和Ge制成的多种不同晶体取向弯晶衍射等离子X射线谱相.谱仪采用离线标定和在线复位技术,可降低由于光源不准引起的光谱偏差,已应用在激光装置的诊断实验上,达到了惯性约束核聚变(ICF)实验要求.     

介电泳驱动纳米胶体分离的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学法对纳米胶体及其溶液环境进行建模,通过对模型系统施加非均匀电场,使胶体带有相反的极性.在较高的电场强度和较低的系统温度情况下介电泳驱动胶体分离的现象较为明显,对胶体的介电泳速度与溶剂粒子热运动速度比值进行研究,发现比值较大时,胶体与溶剂粒子的撞击较为剧烈,使得胶体的速度出现大幅度的波动.改变电场强度进行模拟,发现电场强度的增大能加快胶体的分离,但当电场强度增大到一定程度时,由于溶剂粒子对胶体的摩擦阻力很大,使得分离运动开始变慢.此外,在分析胶体位能的基础上研究胶体的分离原因,发现胶体电偶极化后胶体之间的吸引位能变小,而温度的升高使得吸引位能变小,排斥位能增大,这与DLVO理论得出的结论相一致.     

自然光照条件下可再生的微生物燃料电池阴极体系

本文中采用多碘离子(I3-)为阴极电子受体,利用碘离子(I-)可以在太阳光照条件下跟氧气生成多碘离子的特性,提出并构建了可利用太阳光进行循环再生的微生物燃料电池阴极体系;并在太阳光照条件下对多碘离子的再生特性及其再生特性对电池性能的影响进行了实验研究.结果表明,多碘离子做阴极电子受体时的微生物燃料电池的性能要明显高于铁氰酸钾(K3[Fe(CN)6])为电子受体时的性能;并且在太阳光照条件下,多碘离子可以利用太阳能快速循环再生,是一种较合适的微生物燃料电池阴极受体.同时实验发现多碘离子浓度对微生物燃料电池性能有很大影响,在本实验条件下,多碘离子浓度越高,微生物燃料电池性能越好;并且通过线性扫描实验可知,在自然光照条件下,多碘离子向阴极表面的扩散是影响微生物燃料电池性能的主要因素.     

电沉积修复裂缝中离子迁移的Debye层效应

电场作用下电解质离子在裂缝中的迁移规律直接关系到混凝土裂缝电沉积修复的效果.经典的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程假定电解质离子为理想的质点模型,忽略了离子和裂缝的尺寸效应,难以揭示电解质离子在极端受限条件下纳米裂缝中的迁移规律.本文以双电层厚度为物理基础,建立了电沉积修复中离子迁移的几何模型,...     

无偏析碲锌镉单晶体生长过程控制参数的研究

计算模拟了加速坩埚旋转技术Bridgman(ACRT-B)法碲锌镉单晶体生长过程, 研究了ACRT 波形参数对固液界面形状和晶体组分偏析的影响. 计算结果表明: ACRT 波形参数的变化显著影响固液界面凹陷和界面前沿温度梯度增加的幅度, 增加幅度最高可达数倍. 坩埚最大转速的增加不能明显改善晶体的径向组分偏析, 而坩埚加速时间、恒速转动时间和减速时间的变化可以显著影响溶质的偏析行为. 适当的波形参数, ACRT 可以显著地减小晶体的径向组分偏析, 直至为零. 反之, ACRT 可显著增加晶体的径向组分偏析和轴向组分偏析. 调整ACRT 波形参数和生长系统的控制参数, 可以制备溶质组分均匀区占较大比率的单晶体     

Pr/Nb共掺Bi_4Ti_3O_(12)铋层状陶瓷的光致发光与电性能研究

Bi_4Ti_3O_(12)是一种兼具有高居里温度和高电阻率的铋层状结构压电材料.本文利用Pr~(3+),Nb~(5+)分别对其A位Bi~(3+)和B位Ti~(4+)进行掺杂改性,采用传统固相法制备了Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)(BITN-xPr,0≤x≤0.1)陶瓷,通过控制Nb~(5+)离子的量不变,调节Pr~(3+)离子的浓度来研究不同稀土离子掺杂量对Bi_4Ti_3O_(12)陶瓷的结构形貌、光致发光、介电以及铁电压电性能的影响.经X射线衍射(XRD)测试表明所有样品都具有单一正交相结构,且扫描电子显微镜(SEM)显示陶瓷具有层状形貌特征,拉曼光谱表明Pr~(3+)离子取代钙钛矿层的A位Bi~(3+)离子,导致TiO6八面体发生扭曲.通过蓝光和紫外激光对Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)陶瓷进行激发,可获得红色发光,使其有望作为红色荧光粉应用于蓝色基的白光LED照明.随着Pr浓度的增加,红色发光强度呈现出先增强后减弱的规律,居里温度表现出小幅度下降;另外,陶瓷的压电铁电性能均得到一定程度的改善,以上结果表明Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)陶瓷是一种兼具铁电压电以及光致发光性能的多功能材料.     

胶体超级电容电池

兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标,寻找新型储电体系成为实现这一目标的重要策略.超级电容电池融合二次电池和超级电容器的优势,实现高功率密度和高能量密度在同一时空的统一.作为关键电极材料,超级电容电池型电极材料具有快速的电子和离子传输通道,在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子.目前开发的胶体离子超级电容电池能量密度可以达到350 Wh/kg,功率密度达到2 kW/kg.超级电容电池储电设备特别适合应用于脉冲电源、电磁弹射、能量回收、启停电源等领域.     

卤化物闪烁晶体的研究历史和现状

无机闪烁晶体从诞生至今已有近2 0年的历史,先后有几百种晶体被合成和研究,其中大半是卤化物晶体.本文对几种已经投入应用和可望投入应用的卤化物闪烁晶体的发展历史和研究现状进行综述,着重对一些典型闪烁晶体的晶体结构、生长方法、闪烁性能和最新研究进展进行梳理和总结,同时指出在这些卤化物晶体研究中亟待解决的问题、总体的发展方向及其应用前景.     

纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟

用分子动力学技术, 结合分析型嵌入原子方法模拟计算了平均晶粒尺寸为2.86~7.50 nm的纳米晶体钒的微观结构及其热稳定性. 用原子键对分析技术区分了晶粒与晶界原子, 发现晶界原子所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高, 晶体中原子的平均能量要较普通单晶的高. 从原子平均势能、晶界原子比率以及径向分布函数随温度的变化关系得出纳米晶体钒的热稳定温度, 发现随晶粒尺寸的减小纳米晶体钒的热稳定温度明显降低. 最后还讨论了引起这种热稳定温度降低的原因.     

静电场调制椭球形细胞膜电位和一侧离子浓度的研究

在对静电场与细胞相互作用建模和跨膜电位计算的基础上,基于能斯托公式和玻尔兹曼公式,给出静电场对椭球细胞离子跨膜迁移量影响的分析方法,并就静电场对不同类型椭球细胞离子跨膜迁移量变化的影响进行数值分析.研究发现:静电场在细胞表面不同位置引起的跨膜离子迁移量不同;随外场方向角α、椭球半轴比值ρ增加,静电场引起的细胞膜一侧离子浓度相对无外场作用,其比值的最大值逐渐减少,最大值对应位置θ_(max)逐渐增加;在外场强度、细胞表面积或体积一定条件下,ρ值越大,则对应的θ_(max)值越大;对于含乘性白噪声的静电场,场强度越大、信噪比越小,则离子浓度相对变化量越大.电场影响椭球细胞离子的跨膜迁移量引起细胞介质极化.