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CNGS和CTGS晶体的生长及性能研究

石绪忠  
【摘要】: 压电材料主要包括压电晶体,压电陶瓷和压电聚合物三大类。三种材料各有其优缺点,但就材料的稳定性、工艺流程、生长规模以及器件小型化趋势等方面来看,压电晶体仍占绝对优势。目前用于压电工程的晶体主要是α-石英,其全世界年产量就有千吨之多。石英具备频率对温度的高稳定性,成本低廉,这是它几十年来一直能大规模应用的根本原因。但是石英晶体的机电耦合系数小,其器件插入损耗大,带宽窄,不适合作宽带滤波器。 随着电子和通讯事业的快速发展,高频与快传输通讯装置的需要,迫使研究人员研发优于压电石英的新型压电材料,以用于制备宽频带滤波器及频率温度稳定性高的振荡器等电子元件。目前人们感兴趣的压电晶体有:四硼酸锂(Li_2B_4O_7:LBO),磷酸镓(GaPO_4),硅酸镧镓(La_3Ga_5SiO_(14):LGS)系列晶体等。它们都具有高的声学Q值,易获得的较高机电耦合系数和稳定的补偿切型。 Ca_3NbGa_3Si_2O_(14)(CNGS)、Ca_3TaGa_3Si_2O_(14)(CTGS)、Sr_3NbGa_3Si_2O_(14)(SNGS)和STGS(Sr_3TaGa_3Si_2O_(14))晶体是近几年出现的新型压电晶体,属于32点群,与硅酸镧镓晶体同构型,结构中离子分布有序(硅酸镧镓晶体结构中离子分布无序)。这类晶体的压电性能优于LGS,有零温度系数切型;晶体中镓元素的含量的降低,从而降低了晶体生长的成本;晶体的熔点和镓成份的降低使生长时Ga_2O_3的挥发程度明显降低,有利于获得组份均匀的晶体;良好的机械性能降低了器件加工的难度;且具有热膨胀各项异性小于LGS晶体的优点。 本论文进行了大量的实验工作,采用了提拉法生长Ca_3NbGa_3Si_2O_(14)(CNGS)和Ca_3TaGa_3Si_2O_(14)(CTGS)晶体,探索出CNGS和CTGS晶体的最佳生长工艺,生长出优质单晶体,表征了力学、热学、光学和电学性能,尤其是压电参数及其温度效应。同时对CNGS晶体进行掺杂过渡金属离子的改性研究;对其同系列的新型压电材料Ba_3TaGa_3Si_2O_(14)(BTGS)进行了晶体的生长和性能的初步研究。主要研究工作和结果如下: 1.利用Czochralski提拉技术,按照化学计量配比,根据晶体的生长习性,研究出生长晶体的适宜的温场和工艺,生长出质量较好,透明性高、无开裂的CNGS和CTGS晶体,有些晶体表现出其生长习性,出现多处自然面,晶体等径部分的尺寸分别可达到28×15×40mm~3和φ23×35mm。 依据晶体生长热力学和动力学理论,分析了这两种晶体生长时出现的一些现象,在稳态温场下,以正四方锥为放肩模型,推导了放肩面积随时间变化的关系。 2.用X-Ray粉末衍射对生长的晶体进行了结构鉴定;依据空间群理论和晶格动力学理论,预测了Ca_3NbGa_3Si_2O_(14)(CNGS)晶体的简正振动模式,并用显微拉曼光谱仪测量了CNGS晶体的晶格振动谱,利用群论分析了CNGS晶体的拉曼光谱。根据晶体结构,构造了两个团簇,利用密度泛函理论对拉曼光谱进行了计算和模拟,结果表明理论预测的拉曼光谱与实测的拉曼光谱非常吻合,我们认为CNGS良好的压电性起因于两个团簇大的极化率各向异性。 用原子力显微镜观察了CNGS晶体(0001)自然生长面,发现上面有一组平行的生长台阶,其高度变化明显,基本呈周期性变化。采用高分辨X射线衍射仪测量了CNGS晶体不同部位的摇摆曲线,来进一步研究晶体生长芯和周围部分的结构差异。实验发现,尽管CNGS晶体在生长过程中会形成生长芯,其生长芯是位错等缺陷的集中区,但晶体摇摆曲线表明,生长芯的晶格常数与周围部分相比,并没有大的畸变。 消光比测试结果表明,CNGS和CTGS晶体有良好的光学质量;热性能测试结果表明这两种晶体均有较低的热膨胀系数和很小的热膨胀各向异性,这对晶体在较高温度下的应用是有利的;密度和硬度等基本性质介于石英和硅酸镧镓之间,比较适中。 用分光光度计测试了CNGS和CTGS两晶体a和c方向的透过率,发现a方向在400nm-600nm的可见光范围内存在一个较宽的吸收峰。首次利用平行偏振光干涉法研究了CTGS的旋光色散性质,发现该晶体具有很强的旋光性,有望应用于光隔离器件。用V棱镜法测量了这两种晶体的o光和e光的折射率色散,应用Sellmeier方程进行了拟合,结果表明,CNGS和CTGS晶体为正光性单轴晶。对1.064μm波长的激光,这两种晶体的粉末倍频效应均有绿光产生,这表明它们有可能在非线性光学方面有应用前景。 3.应用谐振—反谐振法,设计了合理的测试程序,利用多种切型的样品,得到了CNGS晶体全部的介电、压电和弹性常数。与国外已测结果相比,我们的测试样品更多,测试过程设计的更为合理,实验结果也更加准确。应用同样的实验程序,我们首次测量出了新型压电晶体CTGS的所有压电参数。实验结果表明,结构相似的CNGS和CTGS的介电、压电及弹性常数等都十分接近。它们的的两个压电系数远大于石英。与同系列中结构无序的LGS晶体相比,它们具有较小的介电系数、较大的压电系数,是更具有应用潜力的新型压电晶体材料。 讨论了压电晶体CNGS二次旋转切割时,压电应变系数矩阵各矩阵元与转角的关系,求出了[d]矩阵各矩阵元的最大值,及最大系数相应晶片的切型(适用于x、y旋转切割)。在最大值方向,这些晶体的压电性能有较大幅度的提高,这些结果在实际中具有很大的应用价值,如利用这些特殊方向,研制特殊切型的压电器件以及制备特殊取向的压电薄膜等。 测量了CTGS晶体弹性系数的温度效应,设计并优选出Y切-23.8°的CNGS和CTGS晶片,测试了它们的频率温度曲线,发现CNGS和CTGS该切型的频率温度稳定性较高,并同时拥有较强的压电性,表明这两种晶体该切型的晶片在频率稳定器件方面具有较大的应用价值。我们对Y切-23.8°的CNGS晶片进行了后期制作和封装,制得了CNGS晶体振荡器。 4.依据晶体声学的基本方程及其平面波解的基础理论,研究了CNGS和CTGS晶体的声体波传播特性,计算了声波沿X轴、y轴和z轴传播的速度。在不考虑压电效应和考虑压电效应两种条件下,对CNGS晶体在三个主晶面内声传播速度随传播方向变化的规律进行了研究;根据实验得出的弹性常数,计算了CNGS和CTGS两晶体非对称方向上的纯模角度。这些结果对新型CNGS晶体在声光器件的设计、开发及应用方面具有一定的理论指导意义。 5.生长了掺杂浓度为0.5mol%的Co~(2+):CNGS晶体,其结构与CNGS完全相同,DSC曲线表明从室温到熔点间无相变。该晶体在可见和近红外波段有良好的透过率。荧光光谱表明,当622nm的红光激发时,晶体出现1252nm的强发射峰。 我们开展了对同系列晶体Ba_3TaGa_3Si_2O_(14)(BTGS)的研究,采用提拉法生长出厘米级BTGS晶体,结构测试结果表明该晶体结构中阳离子占位有序,DSC测试的熔点为1373.9℃。基于局域密度泛函理论和总能量超软赝势法的第一性电子结构计算程序CASTEP,计算了该晶体的弹性常数。


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