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铝酸钇(YAlO3,简称YAP)单晶是一种与YAG单晶相似,具有优良光学和物化性能的重要晶体基质材料,稀土和过渡金属离子掺杂的YAP晶体广泛应用于激光、闪烁、全息记录和光数据存储、电离辐照剂量计及高温超导薄膜衬底等领域。但由于YAP晶体内部复杂的点缺陷,严重影响了掺杂YAP晶体的闪烁、激光等光电性能,并制约了其广泛的应用。
目前YAP晶体中点缺陷的本质仍然不清楚,已提出的点缺陷模型也缺乏充分的理论和实验依据。因此有必要运用目前比较成熟的高性能模拟计算技术对YAP晶体中的点缺陷进行较为系统深入的研究。另外,优良的剂量学材料需要基质中存在一定浓度稳定的电子陷阱。由于YAP晶体内部存在丰富的点缺陷,系统研究掺质YAP晶体的缺陷结构,有望获得新型释光剂量学材料。
本文采用第一性原理模拟计算和实验相结合的研究方法,首先研究了影响YAP晶体光学性能的可能点缺陷在YAP晶体中的存在状态及其相互转化机理。并在此基础上在掺质YAP晶体中寻找新型释光材料,首次发现YAP:Cu具有非常优良的热释光和光释光性能。
本论文主要包含以下五部分:
第一部分文献综述,介绍了研究YAP晶体中点缺陷的意义、点缺陷理论、热释光和光释光的基本理论以及热释光和光释光材料的发展现状。
第二部分实验方法和模拟计算知识。首先介绍了晶体的生长,接着介绍了第一性原理方法,最后介绍了本文研究用到的实验检测手段。
第三部分研究了纯YAP晶体中点缺陷。首先用提拉法生长了多根高光学质量的纯YAP晶体,对初始生长和经不同后期处理的YAP晶体进行了吸收光谱测试。同时,用原子理论模拟了纯YAP晶体中可能存在的点缺陷的能量,用第一性原理计算了F心、F2心、阳离子空位、间隙氧原子(Oi)的电子结构和光学性质,得出了非常有意义的结果。将这些计算结果同实验结果进行综合分析比较,提出了更加科学的YAP晶体中色心点缺陷存在状态和转化的动力学模型。该模型能很好地解释YAP晶体经高能射线辐照和高温退火处理后的变色现象。
第四部分研究了掺质YAP晶体色心。分别生长了高光学质量的过渡金属/稀土离子及其与Mn离子共掺YAP晶体,对初始生长和经不同后期处理的YAP晶体进行了吸收光谱、X射线激发发射谱、能量色散X射线荧光谱、热释光谱等测试,并对实验结果进行了对比分析。热释光实验发现YAP:Cu同其它掺杂相比具有特别强的热释光强度。另外,用第一性原理模拟计算了几种过渡金属或稀土离子单掺YAP晶体的电子结构和光学性质,同实验结果比较确认了晶体色心现象的来源和掺杂离子在晶体中的替位位置。实验和模拟计算结果均证实Fe离子是YAP晶体中存在的一种有害杂质离子,对YAP晶体光学性能有较大影响。
本文的第五部分研究了掺质YAP晶体的热释光和光释光性能。发现YAP:Cu晶体的热释光具有非常高的灵敏度,因此对其热释光和光释光性能进行了重点研究。分别研究了YAP:Cu晶体的热释光/光释光灵敏度、发光曲线特点、热释光势阱参数、升温速率对热释光的影响、热释光/光释光剂量响应等特性,发现YAP:Cu晶体是一种非常有潜力的剂量计材料。我们还发现YAP:Ce晶体也具有优良释光性能,其热释光灵敏度和目前应用的热释光材料LiF:Mg,Cu,P及Al2O3:C相当。YAP:Ce晶体的热释光主发光峰峰温较高(701K),适合作为高温环境下使用的电离辐照剂量计材料。