高费尔德常数掺杂铌酸铽磁光晶体的结构调控、生长及性能研究

The magneto–optic material is indispensable key functional material for the modern information technology industry. Rare–earth niobate Tb3NbO7, owing to their high concentration of magnetic rare–earth ions and wide transmission region, is expected to generate a strong magneto–optical response in the visible–near IR wavelength region. Nevertheless, the compound crystallizes in the orthorhombic system, and therefore they are optically biaxial. Consequently, the birefringence phenomenon will have a great influence on the magneto–optical performance. By combining with quantum chemical calculations and experiment study, the project will attempt to carry out the structure regulation research, and implement the crystal phase transition from orthorhombic to cubic phase through doping so as to eliminate birefringence effect, and then promote the practical application of Tb3NbO7 crystals. The cubic fluorite–type doped Tb3NbO7 single crystals with large size and high quality will be grown by the Czochralski technique. The structure, as well as magneto–optical properties of the as-grown doped Tb3NbO7 crystals, will also be study, so as to explore the inherent relation between functional structure elements and magneto-optical properties and further provide theoretical basis for the preparations of new magneto–optical crystals with large Verdet constant. Based on these researches, this project will hopefully obtain a novel magneto–optic crystal with cubic phase and large Verdet constant, and then promote the development of new-generation information technology.

磁光材料是现代信息技术产业中不可或缺的关键功能材料。Tb3NbO7晶体具有高磁性离子含量、宽透光波段等优点，有望在可见-近红外波段产生较强的磁光效应。但其常温稳定相属正交晶系，是光学双轴晶，各向异性所产生的双折射现象将对其磁光性能产生较大影响。本项目计划将理论模拟与实验修正相结合开展结构调控研究，通过掺杂实现Tb3NbO7晶体从正交相转变为立方相，以消除双折射效应，推动晶体获得实际应用。同时，开展大尺寸、高质量立方相掺杂Tb3NbO7系列晶体的提拉法生长研究，并借助多种实验表征手段，全面评价晶体的结构和磁光综合性能，揭示其磁光构效关系，为探寻具有高费尔德常数的磁光晶体提供理论依据。项目研究有望获得立方相、高费尔德常数的新型可见-近红外波段磁光晶体，为推动我国新一代信息技术的发展做出贡献。

磁光材料是现代信息技术产业中不可或缺的关键功能材料。Tb3NbO7晶体具有高磁性离子含量、宽透光波段等优点，有望在可见-近红外波段产生较强的磁光效应。但其对称较低，各向异性所产生的双折射现象将对其磁光性能产生较大影响。本论文通过掺杂调控实现Tb3NbO7晶体从正交相转变为立方相，并开展了Tb3xCa2(1-x)Nb(2-x)O7系列晶体的生长和磁光综合性能研究。.采用提拉法生长了立方萤石型Tb3xCa2(1-x)Nb(2-x)O7系列晶体，并结合XRD、SEM、EDS，以及XPS，研究了晶体的二次退火工艺，并探讨分析了晶体内部缺陷产生机理。采用导模提拉法成功生长了较大尺寸、高质量的Tb2.3Ca0.49Nb1.22O7晶体，有效改善了晶体的包裹和开裂缺陷。同时，采用ICP-AES法分析了所生长晶体的化学组成，并结合Rietveld法对Tb2.3Ca0.49Nb1.22O7晶体进行了结构精修，探讨了离子在晶体结构中的占位情况，以及Ca2+和Nb5+的掺入对Tb3NbO7晶体结构的影响。通过变温磁化率及低温比热的测定，研究分析了掺杂前后Tb3NbO7晶体的低温磁性。研究了Tb3xCa2(1-x)Nb(2-x)O7晶体的密度、硬度、热膨胀系数等热学及机械性质。测试了晶体在400-1500 nm波段的透射光谱，结果表明，除485 nm附近有Tb3+离子7F6→5D4的跃迁吸收峰外，上述晶体在其它波段均表现出较高的透过率。采用消光法在实验室自行组装的法拉第旋转测试系统中测定了晶体在532 nm、633 nm和1064 nm波长的法拉第旋转角，计算了晶体的费尔德常数约为商品化TGG晶体的1.4倍。同时，结合法拉第旋转理论和结构精修数据，初步探讨了晶体的磁光作用机理，为探寻具有高费尔德常数的磁光晶体提供理论依据。如若对该系列磁光晶体开展进一步深入研究，有望获得可见-近红外波段新型的高性能磁光晶体，开发新型磁光器件，为推动我国新一代信息技术的发展做出贡献。