硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐氟化物紫外光学晶体的制备及性能研究

论文摘要

光电功能晶体材料,因其在激光和光电子学方面的广泛应用,而成为材料科学与工程领域研究的一个热点。本论文以探索新型的光电功能晶体材料为目标,基于国内外光电功能晶体材料的研究现状,提出了在硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐氟化物体系中设计、合成新材料的研究思路。通过高温溶液法,成功合成了一系列紫外光学晶体,并对这些化合物的进行了性能研究和理论计算,取得的主要成果如下:1.CsBSi5O12采取向硼酸盐中引入SiO4的合成策略,在封闭体系中利用高温溶液法获得了非中心对称的CsBSi5O12单晶。借助单晶X-ray衍射技术,我们收集了该化合物的单晶数据。它具有类沸石结构:Si/BO4四面体通过共享氧连接成带有大小两种孔道的三维结构,这两种孔道沿c轴延伸,其中Cs原子填充在大的孔道中以维持电荷平衡,小的孔道中无Cs原子填充。此外,我们进行了详细的结构对比,包括CsBSi5O12与其他被报道的Cs的硼硅酸盐、CsBGe5O12。另外,我们测试了其红外光谱,漫反射光谱,粉末倍频效应在内的光学性质。它的SHG效应约为0.2倍KDP。漫反射光谱显示,其紫外截止边低于200 nm,意味着该化合物在深紫外区域可能有一定用途。同时,我们利用第一性原理计算揭示了其线性、非线性光学性质来源。2.RbBSi2O6在封闭体系中,采用高温溶液法制备出同质多晶型的I4?3d相RbBSi2O6单晶。它的晶体结构由单晶X-ray衍射技术确定。该化合物具有类白榴石结构:Si/BO4四面体通过共用氧原子顶点连接成含有孔道和空腔的三维结构,Rb原子填充其中。除了制备出RbBSi2O6的粉末多晶外,我们也合成了相同化学计量比的CsBSi2O6的粉末多晶,并进行了两个化合物的红外（IR）和紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）漫反射光谱测试。结果表明,RbBSi2O6的紫外截止边低于180 nm,CsBSi2O6的紫外截止边低于185 nm,表明它们在深紫外波段有一定应用的可能性。此外,我们也计算了RbBSi2O6的能带结构和偏态密度。3.A2CaPO4F（A=K,Rb）两个碱金属-碱土金属复合的磷酸盐氟化物——A2CaPO4F（A=K,Rb）通过高温溶液法被成功合成。这两个化合物彼此同构且都属于正交晶系的Pnma空间群。它们的三维结构由孤立PO4基团将一维无限延伸的之字形的[FA2Ca]链相互连结而成。结构中由[FA4Ca2]八面体沿着c方向共面连接而成的之字形链属于一维的类钙钛矿结构。同时,基于阳离子尺寸效应,我们剖析了在A2MPO4F（A=K,Rb;M=Ba,Ca）中碱土金属阳离子对类钙钛矿结构骨架的调控作用。另外,漫反射测试结果表明K2CaPO4F和Rb2CaPO4F的紫外截止边分别低于242和248 nm,意味着它们可能用于紫外光学领域。除此之外,采用第一性原理计算被研究了两个化合物的电子结构与光学性质之间的关系。4.Rb4Pb2B7O14F成功获得一例新的罕见的碱金属与铅复合的硼酸盐氟化物——Rb4Pb2B7O14F。它结晶于单斜晶系的P21/c空间群,其复杂的3D晶体结构可以看作是由孤立的PbO3,PbO3F,B7O14基团将RbO7F和RbO6F多面体构成的层连接而成。据我们所知,它是第四例只含孤立B7O14的无水硼酸盐。第一性原理计算结果表明,该化合物为间接带隙,带隙计算值为4.18 eV;双折射率Δn=0.026@1064 nm;对其光学性质作主要贡献的的是Pb-O和B-O。5.LiRbB8O13一例复合碱金属硼酸盐——LiRbB8O13被成功合成。它的结构包含由基本构筑单元（FBB）——B8O16基团共享氧原子连接形成两种独立的相互穿插的3D B-O框架,而阳离子Li+和Na+填充在孔道、空腔中。据我们所知,在无水的复合碱金属硼酸盐中,这种含两种独立穿插的3D B-O框架化合物是不多见的。第一性原理计算结果表明:LiRbB8O13为间接带隙化合物,带隙计算值为5.81 eV;双折射率Δn=0.08@1064 nm,说明其可能作为双折射晶体;其光学性质主要来源于B-O基团。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号缩写对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光与晶体的相互作用
•   1.3 线性光学晶体材料
•   1.4 非线性光学晶体材料
•     1.4.1 非线性光学晶体材料的分类
•     1.4.2 激光与非线性光学晶体
•   1.5 紫外/深紫外硼酸盐非线性光学晶体
•   1.6 紫外/深紫外磷酸盐非线性光学晶体
•   1.7 本论文的研究目的、研究内容及新颖性
•     1.7.1 研究目的
•     1.7.2 研究内容
•     1.7.3 新颖性
• 第二章 实验合成、表征及理论计算方法
•   2.1 单晶的获得
•   2.2 粉末多晶的合成
•   2.3 测试表征方法
•     2.3.1 单晶结构的确定
•     2.3.2 粉末X射线衍射
•     2.3.3 红外光谱
•     2.3.4 紫外-可见-近红外漫反射光谱
•     2.3.5 非线性光学效应测试
•   2.4 理论计算
•   2.5 实验仪器
• 2O₆的多晶形体'>第三章 非中心对称且具有深紫外截止边的RbBSi₂O₆的多晶形体
•   3.1 引言
•   3.2 单晶生长及粉末多晶的合成
•     3.2.1 单晶生长
•     3.2.2 粉末多晶的合成
• 2O₆的单晶数据及结构描述'>  3.3 RbBSi₂O₆的单晶数据及结构描述
• 2O₆单晶数据'>    3.3.1 RbBSi₂O₆单晶数据
• 2O₆晶体结构描述'>    3.3.2 RbBSi₂O₆晶体结构描述
•   3.4 光谱学性质测试
•     3.4.1 红外光谱
•     3.4.2 紫外-可见-近红外漫反射光谱
•   3.5 理论计算
•   3.6 小结
• 5O₁₂:合成、表征及理论计算'>第四章 非中心对称的CsBSi₅O₁₂:合成、表征及理论计算
•   4.1 引言
• 5O₁₂单晶生长及粉末多晶的合成'>  4.2 CsBSi₅O₁₂单晶生长及粉末多晶的合成
•     4.2.1 单晶生长
•     4.2.2 粉末多晶的合成
• 5O₁₂单晶数据和结构描述'>  4.3 CsBSi₅O₁₂单晶数据和结构描述
•     4.3.1 单晶数据
• 5O₁₂晶体结构描述'>    4.3.2 CsBSi₅O₁₂晶体结构描述
•     4.3.3 结构对比
• 5O₁₂光学性质测试'>  4.4 CsBSi₅O₁₂光学性质测试
•     4.4.1 红外光谱分析
•     4.4.2 紫外-可见-近红外漫反射光谱
•     4.4.3 倍频效应
•   4.5 理论计算
•   4.6 小结
• 2MPO₄F（A=K,Rb;M =Ba,Ca）中,碱土金属离子对类钙钛矿结构的调控作用'>第五章 A₂MPO₄F（A=K,Rb;M =Ba,Ca）中,碱土金属离子对类钙钛矿结构的调控作用
•   5.1 引言
• 2CaPO₄F（A= K,Rb）单晶生长和粉末多晶的合成'>  5.2 A₂CaPO₄F（A= K,Rb）单晶生长和粉末多晶的合成
•     5.2.1 单晶生长
•     5.2.2 粉末多晶的合成
• 2CaPO₄F（A= K,Rb）单晶数据及结构描述'>  5.3 A₂CaPO₄F（A= K,Rb）单晶数据及结构描述
•     5.3.1 单晶数据
• 2CaPO₄F晶体结构描述'>    5.3.2 Rb₂CaPO₄F晶体结构描述
•     5.3.3 结构对比
•   5.4 光谱学性质测试
•     5.4.1 红外光谱
•     5.4.2 漫反射光谱
•   5.5 理论计算
•   5.6 小结
• 7O₁₄基团的碱金属与铅复合硼酸盐氟化物Rb₄Pb₂B₇O₁₄F'>第六章 一种只含孤立B₇O₁₄基团的碱金属与铅复合硼酸盐氟化物Rb₄Pb₂B₇O₁₄F
•   6.1 引言
• 4Pb₂B₇O₁₄F单晶生长和粉末多晶的合成'>  6.2 Rb₄Pb₂B₇O₁₄F单晶生长和粉末多晶的合成
•     6.2.1 单晶生长
•     6.2.2 粉末多晶的合成
• 4Pb₂B₇O₁₄F单晶数据及结构描述'>  6.3 Rb₄Pb₂B₇O₁₄F单晶数据及结构描述
•     6.3.1 单晶数据
• 4Pb₂B₇O₁₄F晶体结构描述'>    6.3.2 Rb₄Pb₂B₇O₁₄F晶体结构描述
•   6.4 理论计算
•   6.5 小结
• 第七章具有两种穿插结构和大双折射率的硼酸盐Li Rb B8O13
•   7.1 引言
•   7.2 LiRbB8O13单晶生长和粉末多晶的合成
•     7.2.1 单晶生长
•     7.2.2 粉末多晶的合成
•   7.3 LiRbB8O13单晶数据及结构描述
•     7.3.1 单晶数据
•     7.3.2 LiRbB8O13晶体结构描述
•   7.4 理论计算
•   7.5 小结
• 第八章 全文总结与展望
•   8.1 全文总结
•     8.1.1 硼硅酸盐
•     8.1.2 硼酸盐
•     8.1.3 磷酸盐氟化物
•   8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柴坤

导师: 代斌,潘世烈

关键词: 硼硅酸盐,硼酸盐,磷酸盐氟化物,晶体结构,光学性质

来源: 石河子大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 石河子大学

分类号: O734

总页数: 81

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