新型中红外波段非线性光学晶体硒镓锂合成与单晶生长

硒镓锂(LiGaSe2)晶体兼具有宽的透过波段、宽的带隙、适中的双折射率、较大的非线性光学系数等特性，是一综合性能优异的新型中红外波段非线性光学材料。本项目采用水平单温区法合成LiGaSe2多晶料、垂直Bridgman法生长LiGaSe2单晶。研究高纯度、近化学计量比、单一相LiGaSe2多晶料合成工艺，采用反应热力学与动力学原理分析与并结合实验，确定出最优工艺参数。研究LiGaSe2单晶生长工艺，依据生长基元、生长界面特性，分析晶体生长习性与规律，设计合理温场，确定晶体生长工艺。探讨随着多晶与晶体制备工艺的改变，晶体组分变化规律与缺陷结构形成原因。以获得的结构与光学性能信息为探针来反馈、优化多晶与单晶的合成与制备工艺。依据"多晶合成-晶体生长-缺陷结构-光学性能"整体思路，生长出性能优异新型中红外波段非线性光学LiGaSe2晶体材料，晶体尺寸达到：直径15mm,长30mm。

中红外波段半导体材料LiGaSe2因其具有宽的透光波段，足够大的双折射率和较高的激光损伤阈值等优势，使其有望成为新一代中远红外波段频率转换材料。这类材料多晶料合成和单晶体生长的一个难点是Li及Li的化合物腐蚀石英管，我们采用自制的镀裂解碳装置，通过在石英管内壁镀裂解碳方法解决了这一问题。采用水平单温区管式电阻炉由单质原料合成了单相正交结构LiGaSe2多晶材料，同时获得一种新相，即黄铜矿结构（四方结构）LiGaSe2多晶材料，最后阶段的恒温温度及降温速率决定LiGaSe2的物相。同时对比研究了LiGaS2和LiGaTe2多晶原料的合成工艺，采用两步合成法合成LiGaS2和LiGaTe2多晶材料，即，先合成LiGa合金，然后LiGa与单质S化合获得LiGaS2多晶料，LiGa与单质Te化合获得LiGaTe2多晶料。采用X射线衍射(XRD)和Raman光谱对多晶材料的结构进行表征，利用差热(DTA)-热重(TG)分析对多晶料热性能进行研究。我们采用特制形状的石墨坩埚生长LiGaSe2单晶体，石墨坩埚内外表面镀一层厚的裂解碳。通过自发成核法，利用垂直梯度冷凝技术及温度振荡技术生长出直径为4mm的正交结构LiGaSe2单晶，红外光谱和拉曼光谱结果显示，红外吸收边达到13μm，为双声子吸收过程，Li-Se键和Ga-Se键平均力常数分别为ƒLi-Se=10.2N/m和ƒGa-Se=34.1N/m。LiGaSe2晶体的颜色与晶体中各元素的比值有关，电感耦合等离子体发射光谱表明浅褐色的LiGaSe2晶体各元素含量比值更接近化学计量比。采用密度泛函理论（DFT）计算了正交结构和黄铜矿结构LiGaSe2的五种缺陷形成能，结果表明：当两种结构LiGaSe2具有相同缺陷时，正交结构晶体较稳定。五种缺陷中锂空位缺陷和硒空位缺陷形成能最高，因此是晶体中最稳定的缺陷结构。采用DFT计算了LiBX2(B = Ga, In; X = S, Se,Te)化合物的电子结构、光学性质与力学性质。结果表明：镓化合物在禁带宽度、晶体抗激光损伤阈值、双折射率和热导率方面优于铟化合物；六种晶体在常压下均满足机械力学稳定性要求, 镓化合物的硬度高于铟化合物，但铟化合物可塑性及延展性略强于镓化合物。