掺碳钛宝石晶体定向开裂的机理研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 61, No. 24 (2012) 244210 掺碳钛宝石晶体定向开裂的机理研究* 胡克艳 徐军 唐慧丽 李红军 邹宇琦 苏良碧 陈伟超 张宝辉 杨秋红 1) ( 上海大学电子信息材料系, 上海 200072 ) 2) ( 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201800 ) ( 2012 年3 月11 日收到; 2012 年7 月8 日收到修改稿) 采用下降法生长技术, 沿 向 生长的掺碳钛宝石晶体, 在切割等加工过程中掺碳钛宝石晶体经常发生定 向开裂的现象. 本文对掺碳钛宝石晶体的定向开裂特征和机理进行了分析与研究, 发现定向裂纹是在基质氧化铝晶 格的 面上发源, 并且沿着 晶向即 轴方向扩展. 采用晶体结构可视化软件(Crystalmaker) 模拟得出, 基 质氧化铝晶格原子在 面上的原子排列最为稀疏, 并且在 晶面上, 垂直 晶向相邻原子间距最大, 在应力作用下晶格 系统的开裂强度最低. 采用光学显微镜、扫描电镜(SEM) 和电子探针等仪器和手 段, 发现在开裂的掺碳钛宝石晶体中沉积了不规则的碳包裹物, 降温过程中包裹物的热膨胀失配引起巨大的内应力, 使得裂纹在晶体最薄弱的系统 面上发源并扩展, 导致晶体的宏观定向开裂. 该研究对优质钛宝石晶体 的生长具有重要的理论和现实意义. 关键词: 掺碳钛宝石晶体, 碳包裹物, 定向开裂 PACS: 42.55.R, 42.80.W 体钛宝石而言, 发挥作用的是Ti 离子, 其能级 1 引言 结构简单, 没有激发态吸收. 而Ti 的存在会导 致Ti-Ti 离子对的残余红外吸收, 大大降低了 上世纪80 年代初, 固体可调谐激光器发展迅 钛宝石晶体的品质因素FOM 值, 严重降低了其激 猛, 钛宝石、金绿宝石等可调谐激光器先后出现, 光性能. 因而要生长出高质量的钛宝石激光晶体, 其中尤为突出的是钛宝石, 钛宝石是继NbYAG 之 必须抑制Ti 的形成, 而促进Ti 向Ti 的转 后影响最为深远的激光晶体之一, 由于钛宝石激光 化 − . 目前解决生长钛宝石晶体的技术国内外 器具有调谐范围宽、转换效率高、寿命长和具有 研究学者多是采用还原气氛的导模法, 下降法等 多种抽运源等诸多优点, 故被广泛地应用于环境污 生长技术, 以及热交换法技术−, 由于石墨发热 染监测、军事应用、瞬态光学、激光光谱、激光 体在晶体生长过程中, 创造了还原气氛, 使得Ti 化学、激光遥感、激光雷达学等领域, 受到各国普 向Ti 离子的转化. 实际上, 在钛宝石晶体生长的 遍重视− . 温度下, 氧化铝熔体是处于一种氧化-还原平衡状