闪烁单晶ZnWO4的坩埚下降法生长【开题报告】.doc

PAGE 2 PAGE 3 开题报告 应用化学 闪烁单晶ZnWO4的坩埚下降法生长 选题的背景与意义 闪烁晶体是广泛应用于射线探测技术的功能材料。钨酸盐系列的闪烁晶体的发光效率高、密度大、抗辐照损伤能力强、无潮解性等优点，ZnWO4单晶是钨酸盐系列中优良的闪烁材料，该单晶密度大，辐射长度短，发光效率高，能量分辨率高，无毒，温度稳定性良好，抗辐射损伤能力强，已经成为国内外相关研究机构的研究热点。在ZnWO4晶体的生长方法上，国际上主要采用提拉法生长工艺。采用提拉法生长存在若干固有的技术难题，如在晶体生长过程中存在比较严重的熔体成分挥发，使熔体组分逐渐偏离准确的化学计量比，在晶体生长后期熔体成分已经不能满足透明单晶生长的需要，不利于优质大尺寸单晶的生长。此外，提拉法生长的纯ZnWO4单晶呈红棕色，因光自吸收而影响晶体的发光效率。 迄今国内外尚未见采用坩埚下降法生长ZnWO4单晶的研究报道，宁波大学晶体材料实验室在无机闪烁晶体材料的坩埚下降法生长方面具有丰富积累，本项目拟开展钨酸锌闪烁单晶的坩埚下降法生长的研究，该工艺将解决提拉法生长固有的技术难题，力求掌握单晶生长的基本实验条件，获得透明的ZnWO4单晶样品，测试其光谱性质、闪烁光学特性；本课题还将研究适当离子掺杂以及氧气氛退火处理方法，以探索减轻ZnWO4单晶着色的有效途径；基于ZnWO4单晶生长以及性能测试结果，将就ZnWO4单晶的坩埚下降法生长的应用价值作出科学评估。本课题的研究结果有助于发展无机闪烁材料新制备方法，可为此类闪烁晶体的开发应用提供有价值的技术基础。 基本研究内容与拟解决的主要问题 研究内容： （1）ZnWO4多晶料合成：根据ZnO-WO3系统的相平衡关系，采用适当组成比例配制原料，通过高温固相反应合成ZnWO4多晶料，还尝试采用湿化学方法合成ZnWO4多晶料。 （2）晶体生长：针对ZnWO4晶体的析晶特性，探索晶体生长的最佳工艺条件，包括原料组成、炉体温度、温场分布、生长速度、晶体取向、固液界面形状等工艺参数。 （3）晶体性能表征：采用TG/DTA、XRD、透过光谱等方法对所获晶体进行分析表征，分析生长条件——晶体缺陷——晶体性能的相关性。 拟解决的主要问题： （1）晶体开裂问题：由于ZnWO4晶体具有解理特性，在单晶生长过程中易于发生晶体开裂，拟适当调节生长参数，辅以晶体生长后的退火处理，以避免或减少晶体开裂。 （2）晶体着色问题：由于ZnWO4晶体可能存在的过渡金属杂质和晶格氧缺位，所生长晶体常显示较深的颜色，可综合采取原料提纯、补偿掺杂和退火处理等技术措施，力求获得浅色的晶体材料。 研究方法与技术路线 研究方法: 采用高温固相反应或湿化学方法制备ZnWO4多晶料，通过坩埚下降法开展ZnWO4晶体生长的研究，经过籽晶发育、定向生长、晶体加工、性能测试等环节，获得较为完整的ZnWO4单晶样品。分析调节适当的单晶生长参数，观察所获单晶的典型晶体缺陷，测试晶体的光谱性能，探索改善晶体质量的有效途径。 技术路线： （1）调试生长炉及其辅助设备。针对该晶体的生长需要，对包括炉膛在内的相关设备进行优化和设计，建立相应的晶体生长工艺条件。 （2）制备原料。采用高纯的ZnO和WO3的粉料经高温固相烧结合成晶体生长用多晶料。 （3）采用垂直坩埚下降法，在坩埚密闭条件下进行晶体生长。 （5）实验分析。分析所得晶体的组成，观察晶体缺陷，测试晶体的光学均匀性和闪烁发光性能，研究生长条件——晶体成分和缺陷—— 晶体性能的相关性。 （6）确立最佳生长工艺。根据晶体组成和性能的分析结果，不断调整生长工艺参数，获得晶体生长的最佳条件。 研究的总体安排与进度 2010年10-11月：确定论文的研究课题，查阅相关文献资料，了解选题的背景与意义，撰写文献综述； 2010年12月：熟悉课题研究的主要内容、需解决的问题、研究的方法和技术路线，撰写开题报告； 2011年1月：以高纯ZnO、WO3为初始试剂，通过高温固相合成法制备ZnWO4多晶料； 2011年3月：开展ZnWO4单晶的垂直坩埚下降法生长实验，获得可供测试的ZnWO4单晶样品； 2011年4月上旬：应用发光光谱、X射线衍射分析、差热分析、光谱分析等方法进行晶体样品的分析表征； 2011年4月中旬：总结实验研究结果，撰写毕业论文，准备毕业论文答辩。 主要参考文献 [1] 周际新，吴建生，孔向阳。钨酸锌晶须的制备，实验室研究与探索，2003，22(2)：1006—7167 [2] 沈定中，任国浩。无机闪烁晶体的研究现状和应用前景（上），上海化工，2000，24（23） [3] 沈定中，任国浩。无机闪烁晶体的研究现状和应用前景（下），上海化工，2000，24（23） [4] 肖华平，陈红兵，徐方，蒋成勇，杨培志。钨酸镉单晶的坩埚下降法