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二十一世纪,随着高新技术的飞速发展,在能源、信息和光电子技术等领域需要更多的高质量、新型功能晶体材料,这对人工晶体的制备以及性能的研究提出了更高的要求。由于晶体生长过程的复杂性,目前在世界范围内,晶体生长理论研究不能满足生长工艺迅速发展的要求。在晶体生长理论研究中,虽然已有多个晶体生长的理论模型对晶体生长的微观过程作了描述,但是由于它们不是建立在对晶体生长微观过程的实际观测基础上,在指导人工单晶生长方面都有一定的局限性。因此,通过对晶体生长的微观过程的实时观测,建立实际晶体生长模型,仍是晶体生长理论研究需要努力完成的一项重要任务。
激光显微高温拉曼光谱仪的出现,为晶体生长微观结构的观测提供了一种手段。本实验室在国家自然科学基金的支持下,利用上海大学的高温显微拉曼光谱仪,开创了熔体法晶体生长边界层微观结构研究的新方法。在本论文中,对KTN、Li2B4O7和PbMoO4三种氧化物晶体的熔体法生长边界层及边界层两侧的晶体和熔体的微观结构进行了观测,获得了它们的熔体、晶体及边界层内部结构基元的信息,并进一步研究了这些结构基元与各自晶体生长习性的联系,为揭示晶体生长的微观机制,建立实际晶体生长模型积累了素材。论文工作的主要内容和结果包括:
(1)实时观测了KTN晶体生长体系的高温拉曼光谱,研究了该生长体系内结构转化的规律,结果显示:在KTN熔体内,存在[Ta/NbO3]-结构基团；[Ta/NbO3]-基团进入到边界层内,逐渐转化为[Ta/NbO6]八面体结构基团并和K+离子结合形成了具有KTN单胞结构特征的雏形。KTN晶体在生长边界层厚度为80～90μm。
讨论了以[Ta/NbO6]八面体为生长基元的KTN晶体(100)、(100)、(010)和(010)4个晶面容易显露的生长习性。
(2)实时观测了Li2B4O7晶体-生长边界层-熔体体系的高温显微拉曼光谱,分析了该晶体生长体系内的结构特征。结果显示:在Li2B4O7晶体、熔体和边界层内都存在有[B4O9]特征的结构基元；与熔体侧相比,越靠近固/液界面[B4O9]环状结构的有序性越强；大骨架的硼酸盐结构片段同时存在于边界层和熔体中。在Li2B4O7晶体生长体系内存在着三配位和四配位B的异构化反应,它是类似硼酸盐体系内发生结构转化的根本因为:
讨论了Li2B4O7晶体生长过程中具有(100)、(001)、(110)和(112)晶面容易显露的生长习性。
(3)观测和分析了PbMoO4晶体和熔体的高温拉曼光谱,研究了以Pb2+阳离子和[MoO4]2-基团作为生长基元的PbMoO4晶体生长习性。并提出:PbMoO4晶体生长的最佳籽晶取向是平行于{101}面所围成的棱锥表面的方向。