本文主要研究内容
作者陈菲菲（2019）在《BIBO和BZBO晶体的泡生法生长及电弹性能研究》一文中研究指出：硼酸盐晶体一直是无机功能晶体材料的研究热点,目前开发的硼酸盐晶体不下千余种。为开发老晶体的新用途以及新晶体的新性能,本论文以铋基硼酸盐晶体为研究对象,采用泡生法生长了 α-BiB306(BIBO)、Bi2ZnB2O7(BZBO)和Nd:BZBO晶体,对晶体的热学和光学等基本性质进行了表征。为了探索其在压电领域的潜在应用,对BIBO和BZBO晶体的电弹性能及其温度依赖性进行了研究。分析了晶体的压电振动模态并设计压电常数高、振动模态单一的晶体切型,试制光声气体探测用压电换能器件。主要研究的工作及结果如下:(一)晶体生长(1)采用泡生法,对BIBO、BZBO以及Nd:BZBO晶体进行了生长。通过多晶原料的合成,助熔剂体系的探索,温场调节等方面的研究,优化了生长工艺参数,实现了短周期内大尺寸单晶的生长。(2)采用高分辨X射线衍射,对生长的晶体品质进行表征。结果表明,生长晶体的摇摆曲线峰型对称,半峰宽较小,表明生长的晶体具有较高的晶格完整度,为后续晶体在非线性光学性能和激光性能方面的研究奠定了基础。(3)采用X射线光电子能谱,对BIBO晶体两侧出现的褐色及絮状物缺陷进行研究。通过分析峰位和含量的相对变化,探讨了晶体该类缺陷的成因,为高质量BIBO晶体的生长提供了参考。(二)BIBO和BZBO晶体基本物理性质研究(1)采用X射线衍射仪对生长的晶体进行结构分析,对BIBO和BZBO晶体的物相及晶胞参数进行确定。采用X射线荧光光谱仪,对Nd:BZBO晶体中Nd的掺杂浓度进行了检测。(2)对BIBO和BZBO晶体的基本热学性质进行测试表征。BIBO和BZBO晶体均属于一致熔融化合物,其熔点分别为718 ℃和698℃。晶体在室温下具有较大的比热,并且均随着温度的升高而增大,较大的比热意味着晶体具有较高的光损伤阈值。两种晶体在热膨胀性质方面表现出较大的差异。BIBO晶体具有很强的热膨胀各向异性,其热膨胀系数在X和Y方向表现出正的温度变化(α11=7.3×10-6K-1和α22=44.1×10-6 K-1),而在Z方向表现出负的温度变化(α33=-21.7×10-6K-1)。由于该晶体同时具有正负热膨胀系数的特点,对BIBO晶体的零膨胀系数切型进行研究。BZBO晶体在三个主轴上的热膨胀均呈正线性变化,线性热膨胀系数α11、α22和α33分别为6.9×10-6、11.2×10-6和1.9×10-6K-1。此外,对晶体的热导率进行测试。室温下,BIBO晶体主轴上的热导率系数分别为11.583、4.775和6.954 W.m-1.K-1,BZBO晶体主轴上的热导率分别为4.3、3.2和4.0 W·m--1.K-1。较大的热导率意味着晶体适用于高功率激光器中。(3)对BIBO、BZBO和Nd:BZBO晶体的基本光学性质进行了表征。紫外可见漫反射实验表明BIBO、BZBO以及Nd:BZBO晶体的吸收边分别为315 nm、358 nm以及365 nm。测试波长在300～2700 nm的范围内,晶体具有较高的透过率(70%以上),表明了生长晶体良好的质量。基于Nd:BZBO晶体的吸收和荧光光谱信息,采用中心波长为808 nm泵浦的激光器,对Nd:BZBO晶体(掺杂浓度为0.5 mol%)1064 nm连续激光进行研究,验证了其激光性质并指明其在激光与非线性领域的潜在应用。(三)BIBO和BZBO晶体压电性质表征(1)采用谐振法(KERSIGHT公司E49904A)、平衡电桥法(Aligent 4294A LCR Mater)以及超声脉冲回波法,对BIBO和BZBO晶体的介电,弹性,机电以及压电性能进行测试表征,测算得到了室温下晶体的全套电弹常数。其中,BIBO晶体压电常数d22高达40 pC/N,BZBO最大压电系数d32为6.4 pC/N。(2)从晶体的结构角度出发,对晶体的宏观压电性质进行了定性分析。通过计算晶体中各个多面体的畸变,以及单胞中净偶极矩的大小和方向,得到在BIBO和BZBO两种晶体的偶极矩中,Bi06多面体的贡献最大。但是在BZBO晶体中,由于两种Bi06多面体偶极矩的方向近乎反向,在很大程度上出现了相互抵消,并且在极轴方向上的分量较小,使得整体的净偶极矩变小,导致BZBO晶体宏观上的压电活性低于BIBO晶体。(3)使用高低温温控箱(DELTA 9023),在-150 ℃～150℃的温度范围内,研究了 BIBO晶体电弹常数的温度依赖性。该晶体具有小的介电损耗(<0.5%),且其相对介电常数受温度的影响较小。在测试的温度范围内,相对介电常数ε11T/ε0、ε22T/ε0和ξ33T/ε0的变化率分别为9.4%、-9.2%和4.5%。晶体主轴上弹性常数sⅱE随温度的变化均表现为正线性。其中,s22E和s66E受温度影响较小,变化率分别为4.0%和2.6%,对应的一阶温度系数分别为0.91×10-4/℃和0.74×10-4/℃。BIBO晶体不同振动模式的压电常数随温度表现出不同的变化趋势。纵向伸缩振动模式d22具有最大的压电活性,在-150℃～150℃范围内其变化率为10.7%。而长度伸缩振动模式d21的变化率仅为1.3%,表现出良好的温度稳定性。(4)对BZBO晶体从室温到500℃温度范围内的电弹常数温度依赖性进行研究。和BIBO晶体相比,BZBO晶体的相对介电常数随温度变化较大,变化率分别为20.9%、26.7%和50.3%。对于主轴上的弹性常数,在高温下近似呈直线增加,且变化率相对较小,分别为8.0%、7.8%、8.0%、8.1%、7.5%和8.6%。BZBO晶体最大的压电常数d32,在室温～500℃的温度范围内,压电常数由6.4 pC/N逐渐升高到8.0 pC/N,一阶温度系数为3.0×10-4/℃。而压电常数d31和d24随着温度的升高而降低,分别由室温时的2.5和6.1 pC/N,降低到1.5和5.9 pC/N。值得注意的是,压电常数d33数值虽然较小,但是从室温到500 ℃的测试范围内,一直保持着1.1 pC/N不变,表现出了良好的温度稳定性。此外,对不同掺杂浓度的Nd:BZBO晶体的高温电阻率和介电常数的温度依赖性关系进行了研究。结果表明,掺杂晶体的电阻率及介电常数随着Nd3+掺杂浓度的增加而减小。(四)压电振动模态分析及压电换能器设计(1)根据晶体的压电方程及内能公式,对BIBO和BZBO晶体不同方向上的径向伸缩振动模式的机电耦合系数kp进行了理论推导,并利用有限元法及谐振法实验进行验证。结果表明:BIBO晶体Y向晶片kp值为30.82%,BZBO晶体Z向晶片kp值为5.8%,与实验计算结果得到的误差均在6%以内,表明了推导公式的可靠性。(2)通过有限元分析,对BIBO和BZBO晶体面切变模式(对应的压电常数d14,d25和d36)晶片的尺寸效应进行了研究,确定了获得单一面切变振动模式晶片的边比关系。根据晶体的各向异性,对BIBO和BZBO晶体面切变模式在空间的最大压电系数切型进行了分析。最终确定BIBO和BZBO晶体最优的面切变晶体切型分别为边长和厚度比例在3-6范围内的Y/37°和Y/-53°晶片(BIBO),以及Z/±45°晶片(BZBO)。不仅压电活性较高,而且振动模态单一,为压电换能器的设计奠定了基础。(3)研究了 BIBO晶体的纵向伸缩振动模式,室温下BIBO晶体纵向伸缩振动模式的机电耦合系数kt为44%,并且结合有限元分析,对该模式下晶片的尺寸效应进行研究。确定了当圆片直径和厚度之比为5:7时,能够获得纯净的振动模态。利用该模式,试制了光声气体探测用压电换能器原型器件,成功实现了对SF6气体万亿分之一(750 ppqV)的痕量探测,开辟了BIBO晶体在压电领域的新应用。
Abstract
peng suan yan jing ti yi zhi shi mo ji gong neng jing ti cai liao de yan jiu re dian ,mu qian kai fa de peng suan yan jing ti bu xia qian yu chong 。wei kai fa lao jing ti de xin yong tu yi ji xin jing ti de xin xing neng ,ben lun wen yi bi ji peng suan yan jing ti wei yan jiu dui xiang ,cai yong pao sheng fa sheng chang le α-BiB306(BIBO)、Bi2ZnB2O7(BZBO)he Nd:BZBOjing ti ,dui jing ti de re xue he guang xue deng ji ben xing zhi jin hang le biao zheng 。wei le tan suo ji zai ya dian ling yu de qian zai ying yong ,dui BIBOhe BZBOjing ti de dian dan xing neng ji ji wen du yi lai xing jin hang le yan jiu 。fen xi le jing ti de ya dian zhen dong mo tai bing she ji ya dian chang shu gao 、zhen dong mo tai chan yi de jing ti qie xing ,shi zhi guang sheng qi ti tan ce yong ya dian huan neng qi jian 。zhu yao yan jiu de gong zuo ji jie guo ru xia :(yi )jing ti sheng chang (1)cai yong pao sheng fa ,dui BIBO、BZBOyi ji Nd:BZBOjing ti jin hang le sheng chang 。tong guo duo jing yuan liao de ge cheng ,zhu rong ji ti ji de tan suo ,wen chang diao jie deng fang mian de yan jiu ,you hua le sheng chang gong yi can shu ,shi xian le duan zhou ji nei da che cun chan jing de sheng chang 。(2)cai yong gao fen bian Xshe xian yan she ,dui sheng chang de jing ti pin zhi jin hang biao zheng 。jie guo biao ming ,sheng chang jing ti de yao bai qu xian feng xing dui chen ,ban feng kuan jiao xiao ,biao ming sheng chang de jing ti ju you jiao gao de jing ge wan zheng du ,wei hou xu jing ti zai fei xian xing guang xue xing neng he ji guang xing neng fang mian de yan jiu dian ding le ji chu 。(3)cai yong Xshe xian guang dian zi neng pu ,dui BIBOjing ti liang ce chu xian de he se ji xu zhuang wu que xian jin hang yan jiu 。tong guo fen xi feng wei he han liang de xiang dui bian hua ,tan tao le jing ti gai lei que xian de cheng yin ,wei gao zhi liang BIBOjing ti de sheng chang di gong le can kao 。(er )BIBOhe BZBOjing ti ji ben wu li xing zhi yan jiu (1)cai yong Xshe xian yan she yi dui sheng chang de jing ti jin hang jie gou fen xi ,dui BIBOhe BZBOjing ti de wu xiang ji jing bao can shu jin hang que ding 。cai yong Xshe xian ying guang guang pu yi ,dui Nd:BZBOjing ti zhong Ndde can za nong du jin hang le jian ce 。(2)dui BIBOhe BZBOjing ti de ji ben re xue xing zhi jin hang ce shi biao zheng 。BIBOhe BZBOjing ti jun shu yu yi zhi rong rong hua ge wu ,ji rong dian fen bie wei 718 ℃he 698℃。jing ti zai shi wen xia ju you jiao da de bi re ,bing ju jun sui zhao wen du de sheng gao er zeng da ,jiao da de bi re yi wei zhao jing ti ju you jiao gao de guang sun shang yu zhi 。liang chong jing ti zai re peng zhang xing zhi fang mian biao xian chu jiao da de cha yi 。BIBOjing ti ju you hen jiang de re peng zhang ge xiang yi xing ,ji re peng zhang ji shu zai Xhe Yfang xiang biao xian chu zheng de wen du bian hua (α11=7.3×10-6K-1he α22=44.1×10-6 K-1),er zai Zfang xiang biao xian chu fu de wen du bian hua (α33=-21.7×10-6K-1)。you yu gai jing ti tong shi ju you zheng fu re peng zhang ji shu de te dian ,dui BIBOjing ti de ling peng zhang ji shu qie xing jin hang yan jiu 。BZBOjing ti zai san ge zhu zhou shang de re peng zhang jun cheng zheng xian xing bian hua ,xian xing re peng zhang ji shu α11、α22he α33fen bie wei 6.9×10-6、11.2×10-6he 1.9×10-6K-1。ci wai ,dui jing ti de re dao lv jin hang ce shi 。shi wen xia ,BIBOjing ti zhu zhou shang de re dao lv ji shu fen bie wei 11.583、4.775he 6.954 W.m-1.K-1,BZBOjing ti zhu zhou shang de re dao lv fen bie wei 4.3、3.2he 4.0 W·m--1.K-1。jiao da de re dao lv yi wei zhao jing ti kuo yong yu gao gong lv ji guang qi zhong 。(3)dui BIBO、BZBOhe Nd:BZBOjing ti de ji ben guang xue xing zhi jin hang le biao zheng 。zi wai ke jian man fan she shi yan biao ming BIBO、BZBOyi ji Nd:BZBOjing ti de xi shou bian fen bie wei 315 nm、358 nmyi ji 365 nm。ce shi bo chang zai 300～2700 nmde fan wei nei ,jing ti ju you jiao gao de tou guo lv (70%yi shang ),biao ming le sheng chang jing ti liang hao de zhi liang 。ji yu Nd:BZBOjing ti de xi shou he ying guang guang pu xin xi ,cai yong zhong xin bo chang wei 808 nmbeng pu de ji guang qi ,dui Nd:BZBOjing ti (can za nong du wei 0.5 mol%)1064 nmlian xu ji guang jin hang yan jiu ,yan zheng le ji ji guang xing zhi bing zhi ming ji zai ji guang yu fei xian xing ling yu de qian zai ying yong 。(san )BIBOhe BZBOjing ti ya dian xing zhi biao zheng (1)cai yong xie zhen fa (KERSIGHTgong si E49904A)、ping heng dian qiao fa (Aligent 4294A LCR Mater)yi ji chao sheng mai chong hui bo fa ,dui BIBOhe BZBOjing ti de jie dian ,dan xing ,ji dian yi ji ya dian xing neng jin hang ce shi biao zheng ,ce suan de dao le shi wen xia jing ti de quan tao dian dan chang shu 。ji zhong ,BIBOjing ti ya dian chang shu d22gao da 40 pC/N,BZBOzui da ya dian ji shu d32wei 6.4 pC/N。(2)cong jing ti de jie gou jiao du chu fa ,dui jing ti de hong guan ya dian xing zhi jin hang le ding xing fen xi 。tong guo ji suan jing ti zhong ge ge duo mian ti de ji bian ,yi ji chan bao zhong jing ou ji ju de da xiao he fang xiang ,de dao zai BIBOhe BZBOliang chong jing ti de ou ji ju zhong ,Bi06duo mian ti de gong suo zui da 。dan shi zai BZBOjing ti zhong ,you yu liang chong Bi06duo mian ti ou ji ju de fang xiang jin hu fan xiang ,zai hen da cheng du shang chu xian le xiang hu di xiao ,bing ju zai ji zhou fang xiang shang de fen liang jiao xiao ,shi de zheng ti de jing ou ji ju bian xiao ,dao zhi BZBOjing ti hong guan shang de ya dian huo xing di yu BIBOjing ti 。(3)shi yong gao di wen wen kong xiang (DELTA 9023),zai -150 ℃～150℃de wen du fan wei nei ,yan jiu le BIBOjing ti dian dan chang shu de wen du yi lai xing 。gai jing ti ju you xiao de jie dian sun hao (<0.5%),ju ji xiang dui jie dian chang shu shou wen du de ying xiang jiao xiao 。zai ce shi de wen du fan wei nei ,xiang dui jie dian chang shu ε11T/ε0、ε22T/ε0he ξ33T/ε0de bian hua lv fen bie wei 9.4%、-9.2%he 4.5%。jing ti zhu zhou shang dan xing chang shu sⅱEsui wen du de bian hua jun biao xian wei zheng xian xing 。ji zhong ,s22Ehe s66Eshou wen du ying xiang jiao xiao ,bian hua lv fen bie wei 4.0%he 2.6%,dui ying de yi jie wen du ji shu fen bie wei 0.91×10-4/℃he 0.74×10-4/℃。BIBOjing ti bu tong zhen dong mo shi de ya dian chang shu sui wen du biao xian chu bu tong de bian hua qu shi 。zong xiang shen su zhen dong mo shi d22ju you zui da de ya dian huo xing ,zai -150℃～150℃fan wei nei ji bian hua lv wei 10.7%。er chang du shen su zhen dong mo shi d21de bian hua lv jin wei 1.3%,biao xian chu liang hao de wen du wen ding xing 。(4)dui BZBOjing ti cong shi wen dao 500℃wen du fan wei nei de dian dan chang shu wen du yi lai xing jin hang yan jiu 。he BIBOjing ti xiang bi ,BZBOjing ti de xiang dui jie dian chang shu sui wen du bian hua jiao da ,bian hua lv fen bie wei 20.9%、26.7%he 50.3%。dui yu zhu zhou shang de dan xing chang shu ,zai gao wen xia jin shi cheng zhi xian zeng jia ,ju bian hua lv xiang dui jiao xiao ,fen bie wei 8.0%、7.8%、8.0%、8.1%、7.5%he 8.6%。BZBOjing ti zui da de ya dian chang shu d32,zai shi wen ～500℃de wen du fan wei nei ,ya dian chang shu you 6.4 pC/Nzhu jian sheng gao dao 8.0 pC/N,yi jie wen du ji shu wei 3.0×10-4/℃。er ya dian chang shu d31he d24sui zhao wen du de sheng gao er jiang di ,fen bie you shi wen shi de 2.5he 6.1 pC/N,jiang di dao 1.5he 5.9 pC/N。zhi de zhu yi de shi ,ya dian chang shu d33shu zhi sui ran jiao xiao ,dan shi cong shi wen dao 500 ℃de ce shi fan wei nei ,yi zhi bao chi zhao 1.1 pC/Nbu bian ,biao xian chu le liang hao de wen du wen ding xing 。ci wai ,dui bu tong can za nong du de Nd:BZBOjing ti de gao wen dian zu lv he jie dian chang shu de wen du yi lai xing guan ji jin hang le yan jiu 。jie guo biao ming ,can za jing ti de dian zu lv ji jie dian chang shu sui zhao Nd3+can za nong du de zeng jia er jian xiao 。(si )ya dian zhen dong mo tai fen xi ji ya dian huan neng qi she ji (1)gen ju jing ti de ya dian fang cheng ji nei neng gong shi ,dui BIBOhe BZBOjing ti bu tong fang xiang shang de jing xiang shen su zhen dong mo shi de ji dian ou ge ji shu kpjin hang le li lun tui dao ,bing li yong you xian yuan fa ji xie zhen fa shi yan jin hang yan zheng 。jie guo biao ming :BIBOjing ti Yxiang jing pian kpzhi wei 30.82%,BZBOjing ti Zxiang jing pian kpzhi wei 5.8%,yu shi yan ji suan jie guo de dao de wu cha jun zai 6%yi nei ,biao ming le tui dao gong shi de ke kao xing 。(2)tong guo you xian yuan fen xi ,dui BIBOhe BZBOjing ti mian qie bian mo shi (dui ying de ya dian chang shu d14,d25he d36)jing pian de che cun xiao ying jin hang le yan jiu ,que ding le huo de chan yi mian qie bian zhen dong mo shi jing pian de bian bi guan ji 。gen ju jing ti de ge xiang yi xing ,dui BIBOhe BZBOjing ti mian qie bian mo shi zai kong jian de zui da ya dian ji shu qie xing jin hang le fen xi 。zui zhong que ding BIBOhe BZBOjing ti zui you de mian qie bian jing ti qie xing fen bie wei bian chang he hou du bi li zai 3-6fan wei nei de Y/37°he Y/-53°jing pian (BIBO),yi ji Z/±45°jing pian (BZBO)。bu jin ya dian huo xing jiao gao ,er ju zhen dong mo tai chan yi ,wei ya dian huan neng qi de she ji dian ding le ji chu 。(3)yan jiu le BIBOjing ti de zong xiang shen su zhen dong mo shi ,shi wen xia BIBOjing ti zong xiang shen su zhen dong mo shi de ji dian ou ge ji shu ktwei 44%,bing ju jie ge you xian yuan fen xi ,dui gai mo shi xia jing pian de che cun xiao ying jin hang yan jiu 。que ding le dang yuan pian zhi jing he hou du zhi bi wei 5:7shi ,neng gou huo de chun jing de zhen dong mo tai 。li yong gai mo shi ,shi zhi le guang sheng qi ti tan ce yong ya dian huan neng qi yuan xing qi jian ,cheng gong shi xian le dui SF6qi ti mo yi fen zhi yi (750 ppqV)de hen liang tan ce ,kai bi le BIBOjing ti zai ya dian ling yu de xin ying yong 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的陈菲菲，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于晶体论文,晶体论文,单晶生长论文,电弹性能论文,振动模态论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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