1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 江苏师范大学物理与电子工程学院,徐州 221116
3 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899
4 连城凯科斯科技有限公司，无锡 214000
采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0， 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)和0.6%Pr,5%R∶Ca0.5Sr0.5F2(R=Y, Lu, Gd)系列碱土氟化物激光晶体，对其晶体结构、吸收和可见波段的荧光光谱及荧光衰减寿命进行了系统研究。通过吸收截面、发射截面、荧光寿命、荧光半峰全宽等光谱参数分析发现，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2混晶与其他掺杂混晶相比，具有最佳的光谱效果，443 nm处吸收截面和640 nm处红光发射截面分别为1.63×10-20和3.39×10-20 cm2，相应荧光半峰全宽和荧光寿命分别为4.50 nm和42.8 μs,光谱参数与0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)混晶相比有显著的提升。结果表明，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2晶体具有极大的潜力作为新型Pr3+掺杂宽带激光材料的增益介质。
激光晶体 碱土氟化物 Pr3+掺杂 可见激光 发光性能 laser crystal alkaline earth fluoride Pr3+ doping visible laser luminescence property
1 1.同济大学 物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
2 2.连城凯克斯科技有限公司, 无锡 214000
二十一世纪以来, 以氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)为代表的第三代宽禁带(Eg>2.3 eV)半导体材料正成为半导体产业发展的核心支撑材料。由于GaN与ZnO单晶生长难度较大, 成本较高, 常采用外延技术在衬底材料上生长薄膜, 因此寻找理想的衬底材料成为发展的关键。相比于传统的蓝宝石、6H-SiC、GaAs等衬底材料, 铝镁酸钪(ScAlMgO4)晶体作为一种新型自剥离衬底材料, 因其与GaN、ZnO具有较小的晶格失配(失配率分别为~1.4%和~0.09%)以及合适的热膨胀系数而备受关注。本文从ScAlMgO4晶体的结构出发, 详细介绍了其独特的三角双锥配位体结构与自然超晶格结构, 这是其热学性质与电学性质的结构基础。此外, ScAlMgO4晶体沿着c轴的层状结构使其具有自剥离特性, 大大降低了生产成本, 在制备自支撑GaN薄膜方面具有良好的市场应用前景。然而ScAlMgO4原料合成难度较大, 晶体生长方法单一, 主要为提拉法, 且与日本存在较大的差距, 亟需开发新的高质量、大尺寸ScAlMgO4晶体的生长方法来打破技术壁垒。
ScAlMgO4 自剥离衬底 晶格匹配 晶体生长 外延 综述 ScAlMgO4 self-peeling substrate lattice matching crystal growth epitaxy review
1 1.上海大学 材料基因组工程研究院, 上海 200444
2 2.同济大学 高等研究院, 物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 3.江苏师范大学 物理与电子工程学院, 江苏省先进激光材料与器件重点实验室, 徐州 221116
4 4.南京光宝光电科技有限公司, 南京 210038
氟化钙(CaF2)是一种良好的激光材料基质, 具有较宽的透过范围(0.125~10 µm)、良好的导热性(9.71 W/(m·K))和低非线性效应系数。在Pr:CaF2晶体中, [Pr3+-Pr3+]团簇导致Pr3+离子在较低浓度下出现荧光猝灭现象。在CaF2中共掺入La3+离子有可能打破[Pr3+-Pr3+]团簇。本研究通过温度梯度法(Temperature Gradient Technique, TGT), 成功地生长了一系列共掺入不同浓度La3+离子的Pr:CaF2晶体。在室温下采用X射线粉末衍射、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减寿命对Pr, La:CaF2晶体进行表征。Pr:CaF2晶体共掺入La3+离子后仍具有立方晶体结构。3P0→3H6(604 nm)和3P0→3F2(640 nm)处的最大受激发射截面分别为1.36×10-20和3.18×10-20 cm2, 半峰宽分别为17.0和 3.8 nm。随着La3+离子掺杂含量的增加, 3P0→3H6(604 nm)处的半峰宽从15.84增加到18.53 nm。0.6%Pr,10%La:CaF2 (原子分数)的最大荧光寿命和光谱质量因子分别为45.82 μs和145.8×10-20 cm2·μs。上述结果表明: [Pr3+-Pr3+]离子淬灭团被打破, Pr, La:CaF2晶体是潜在的激光增益材料, 可应用于橙红色激光领域。
Pr, La:CaF2 光谱性能 Judd-Ofelt理论 荧光寿命 Pr, La:CaF2 spectra property Judd-Ofelt theory fluorescence lifetime
1 同济大学 物理科学与工程学院，高等研究院，上海 200092
2 江苏师范大学物理电子与工程学院 江苏省先进激光材料与器件重点实验室，江苏 徐州 221116
3 中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海 201899
使用温梯法生长了10%Tb，x%Y∶CaF2（x = 0，3，5，10）系列晶体。通过X射线衍射分析了晶体结构，结果表明高浓度的稀土离子掺杂使得晶胞参数增大，但是仍然保持CaF2的萤石立方结构。采用吸收光谱、发射光谱及荧光衰减曲线等测试数据对其发光性能进行了研究。通过J?O理论计算，共掺Y3+离子后，光谱品质因子Ω4/Ω6由0.75增加到0.80。F?L公式计算得到10%Tb∶CaF2绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10-21 cm2和0.082×10-21 cm2，10%Tb，10%Y∶CaF2在绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10-21 cm2和0.077×10-21 cm2。并且Tb3+离子5D4能级的荧光寿命都在5 ms以上，并不存在高浓度掺杂导致的荧光寿命降低现象，长荧光寿命意味着Tb3+离子绝佳的储能能力。实验结果表明，Tb∶CaF2及Tb，Y∶CaF2晶体是有极大潜力实现可见激光输出的激光增益介质。
Tb∶CaF2 可见激光 光谱性能 J-O 理论 Tb∶CaF2 visible laser spectral properties J-O theory
同济大学物理科学与工程学院，高等研究院，上海 200092
采用自主设计改造的温梯炉，成功生长了不同浓度Ho3+、Y3+掺杂的CaF2及SrxCa1-xF2晶体，晶体尺寸约为15 mm×55 mm，生长周期约为6 d，能够实现7种不同浓度晶体的同步生长，并选取其中的4%(原子数分数)Ho,4%Y∶CaF2晶体进行分析，吸收测试表明，该晶体448 nm和643 nm处吸收峰的吸收截面分别是1.13×10-20 cm2和0.84×10-20 cm2， J-O理论分析得到了晶场强度参数Ωt(t=2、4、6)、辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射寿命。在448 nm氙灯激发下，经计算得到该晶体在546 nm、650 nm 和752 nm处的发射截面分别为10.450×10-21 cm2、8.737×10-21 cm2和5.965×10-21 cm2,测得5F4和5F5能级的寿命分别为33.5 μs和17.7 μs。在640 nm LD泵浦激发下，经计算得到该晶体2 031 nm处发射截面为5.375×10-21 cm2，2 847 nm处发射截面为10.356×10-21 cm2，测得5I7和5I6 能级的寿命分别为4.37 ms 和1.85 ms。以上结果表明，多孔坩埚温梯法能够大大提高激光晶体稀土离子掺杂浓度筛选的效率，加快新型激光晶体材料的研发速度。
氟化钙晶体 温度梯度法 晶体生长 多孔坩埚 激光晶体 光谱性能 calcium fluoride crystal temperature gradient technology crystal growth porous crucible laser crystal spectral property
1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 天通银厦新材料有限公司，银川 750001
3 天通控股股份有限公司，海宁 314412
采用泡生法生长了115 kg级大尺寸钛宝石(Ti∶Al2O3)晶体，晶体外形完整无开裂，制备了口径达300 mm的高质量大口径钛宝石单晶样品。在X射线和α粒子激发下测试了晶体的闪烁发光性能。结果表明,Ti∶Al2O3晶体的闪烁发光包含近红外和近紫外发光。近红外发光来源于Ti3+特征发射，效率较高，衰减时间慢。近紫外发光来源于Ti局域激子发光和F+心发光，具有较快的衰减时间，其光输出与掺杂导致的自吸收有关。α粒子激发下，光产额达到1 130.5 pe/MeV，其中快成分光产额为29.6 pe/MeV。
钛宝石 单晶生长 泡生法 闪烁发光性能 Ti∶Al2O3 single crystal growth Kyropoulos method scintillation luminescence property
1 普洱学院理工学院，普洱 665000
2 同济大学物理科学与工程学院,上海 200092
3 天通控股股份有限公司，海宁 314412
4 中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，沈阳 110179
使用导模法(EFG)生长了多片a面蓝宝石晶体。显微拉曼光谱结合电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测试得出晶体的气泡中可能存在含S化合物。晶体表面明显的生长条纹主要与温度、生长速度的波动以及模具的加工精度有关。化学腐蚀分析表明晶体位错密度在4.2×104 cm-2，未存在小角度晶界缺陷，双晶摇摆曲线半峰宽(FWHM)为70.63″。由于采用石墨保温材料，晶体中存在F心与F+色心。晶体在400~3 000 nm波段透过率高于80%，空气中退火后可减弱色心吸收。本文研究结果可为蓝宝石晶体缺陷形成理论研究提供参考，也可为导模法蓝宝石工业生产技术改进提供借鉴。
蓝宝石 导模法 晶体生长 缺陷 气泡 色心 sapphire EFG crystal growth defect bubble color center
1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，沈阳 110179
3 江苏师范大学物理与电子工程学院，徐州 221116
本文通过自主研发制造新型高温晶体生长炉，并采用热交换-温度梯度法的热场结构，从而克服了高温环境下坩埚污染。调节热场结构并引入循环气，增大了温度梯度并改善了结晶驱动力不足的问题。用热交换-温度梯度法生长了2英寸(1英寸=2.54 cm)级的氧化钪(Sc2O3)晶体，这一结果是目前已知的最大尺寸的倍半氧化物单晶。氧化钪晶体呈现无色透明，外形完整、内部无气泡或其他可观察到的宏观缺陷。尺寸为55 mm×50 mm。其中放肩部分高度15 mm，等径生长部分的高度为40 mm。块状晶体的XRD谱只有(222)与(444)峰，可判定为单晶体，双晶摇摆曲线半高宽(FWHM)为113″,显示较好的结晶性能。
氧化钪晶体 倍半氧化物晶体 热交换法 温度梯度法 Sc2O3 crystal sesquioxide crystal heat exchange method temperature gradient technique
1 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院, 徐州 221116
通过导模法(EFG)成功生长了蓝宝石单晶光纤(直径400~1000 μm, 长度500 mm)。光纤的横截面大致为圆形, 侧面无明显的小面, 直径变化小于40 μm。本研究对晶体缺陷, 例如微气泡, 包裹物和生长条纹等进行观察与分析, 得出: 大多数微气泡是球状的, 且存在于光纤的外侧缘; 在蓝宝石光纤外侧面也观察到少量的钼包裹物元素; 新模具在前几次使用中往往会产生更多的钼夹杂物, 在多次使用后降低。通过对熔体膜流体流动的实验和数值模拟, 研究蓝宝石光纤中微气泡尺寸和分布, 实验和数值模拟的结果显示出良好的一致性。微气泡的分布取决于熔体膜处的流体流动模式, 流体流动的涡流使微气泡在热毛细对流作用下移动到蓝宝石光纤外侧缘。633 nm处的吸收损耗为9 dB/m, 包裹物和表面不规则性会增加散射损耗。
蓝宝石光纤 导模法(EFG) 微气泡 钼包裹物 sapphire fibers edge-defined film-fed growth method micro bubble Mo inclusion
1 同济大学物理科学与工程学院, 上海 200092
2 南京同溧晶体材料研究院, 南京 211212
3 常州市乐萌压力容器有限公司,常州 213001
采用自主设计制造的导模炉, 通过热场模拟辅助设计出理想的模具表面温度分布, 采用两段加热的方式控制晶体的应力和气泡缺陷, 选择合适的提拉速 率控制气泡层的分布, 成功生长了高质量超大尺寸蓝宝石单晶板材, 蓝宝石板材可利用尺寸690 mm×300 mm×12 mm。摇摆曲线半高宽为0.016 3°, 说明晶体 具有良好的结晶质量。5 mm厚度样品的透过光谱测试表明, 透过率与用其它晶体生长方法的晶体相同。
导模法 光电窗口 蓝宝石板材 EFG method photoelectric window sapphire plate
