铈单晶的制备与基础物性研究

Due to the high reactivity and plasticity of Cerium, it is hard to grow the large single crystal grain. Especially, the growth of Cerium crystal remains blank in the country. In the present project, we plan to build up a set of system, in which highly pure inert gas is filled to restrain the high chemical reacitivity of Cerium, to grow single crystals of Cerium. We will adopt two steps to grow Ce crystal, including first melt-pulling method and subsequent solid-state strain anneal method. We will also try to grow Ce crystals by using high-pressure method at high temperature. The purpose of our project is to yield millimeter-sized high-quality Ce crystal. After obtaining such large crystal, we will carry out the measurements on electrical, magnetic, thermal and mechanical properties.

Ce单质的高化学活性和易变性使得其大块单晶非常难以生长，尤其是在国内尚是处于空白状态。在本项目中，我们拟建立一套以高纯惰性气氛来抑制Ce单质高化学活性的Ce单晶生长系统，我们拟采用熔融提拉法和固态去应力退火方法等两步法来生长Ce单晶。我们还将尝试采用高温高压的方法来生长Ce单晶。本项目目标是生长出毫米量级的高质量的Ce单晶。我们还将对生长的Ce单晶进行电学、磁学、热学以及力学上的基础物性的测量。

铈单质材料复杂的随温度和压力变化而发生的结构相变对生长高质量单晶是很不利的，在开始高温降温时生长成的大的单晶块会在接下来的随降温而发生的相变中碎裂并形成晶界。同时，其化学活性非常高，高温能与大部分物质反应。这些因素对大块高质量铈单晶的生长提出了高度挑战。本项目主要是探索铈单晶生长的方法和建立制备Ce单晶的生长系统，基本目标是生长毫米量级的 Ce 单晶，并在此基础上表征其物性。在项目实施过程中我们排除了高压高温等接触性方法生长铈单晶的可能，最终采用光学浮区熔融法在高气压惰性气氛中直接生长出了达到厘米量级的高质量铈单晶，通过中子衍射表征，得出单晶取向性非常好，光学浮区熔融法成功避开了降温过程中结构相变导致的晶界的生成，对进一步研究铈单质的力学等性质提高了良好的平台，同时也为其他类似的稀土金属单质单晶的生长提供了可靠的指导。