LiB3O5晶体生长体系的熔体结构及相关基础问题研究

High-temperature melt structures are associated to their macroscopic properties and the microscopic mechanisms of crystal growth, and are a fundamental and challenging problem in the field of crystal growth science that has not been solved very well for many years. In order to describe the strctures of borate melts, we proposed a new polymer structural model and a new structural research methodology which is based on high-temperature Raman spectroscopy and density functional theory calculation. In this project, we focus on some important and fundamental problems related to LBO (LiB3O5) crystal growth and some common fundamental problems related to other borate crystal growth, and study the temperature-induced structural changes of LiB3O5 melt and the component-induced melt structural changes in LBO crystalline regions in order to: (1) explain the special melting behavior of LBO crystal; (2) understand the structural factors of the high viscosity of Li2O-B2O3 binary melts and their anomalous viscosity behaviors; (3) understand the function of molybdate fluxes widely used for LBO crystal growth; (4) obtain the microscopic process of LBO crystal growth by molybdate flux method and its habit, and discuss the formation and distribution of the defects in LBO crystal. Summarize the successful experiences of LBO crystal growth for deeply understanding the fundamental scicence problems of borate crystal growth and for providing the theoretical base of borate crystal growth technology.

高温熔体结构关系到熔体的宏观性质和晶体生长的微观机理，是晶体生长科学领域基础的、富有挑战性的研究课题，但一直没有得到很好解决。为描述硼酸盐熔体结构，我们提出了新的聚合物结构模型；建立了新的、以高温Raman光谱技术和密度泛函理论计算方法为核心的硼酸盐熔体结构研究方法。在本项目中，我们围绕与LBO（LiB3O5）晶体生长相关的、重要和带有共性的基础科学问题，研究LiB3O5熔体结构随温度的变化规律以及在LBO的结晶区域内熔体结构随组成的变化规律，揭示：（1）LBO晶体独特的融化行为；（2）造成Li2O-B2O3二元熔体高粘度以及粘度反常现象的结构因素；（3）钼酸盐熔盐法生长LBO晶体的助溶剂作用机理；（4）钼酸盐助溶剂生长LBO晶体的微观过程、结晶习性及其与晶体中缺陷的形成和分布的关系。总结LBO晶体生长的成功经验，深化对硼酸盐晶体生长基础问题的认识，为硼酸盐晶体生长技术进步提供理论支撑。

LiB3O5晶体是由中国人创制的、享誉世界的非线性光学晶体。近年来，世界各主要晶体强国纷纷加大投入，希望获得大尺寸、高质量的LiB3O5晶体，实现强激光变频输出，以推动强激光科学和技术的发展。但是有关LiB3O5晶体生长的许多基础问题目前仍然没有得到很好解决。本项目围绕两种重要的LiB3O5晶体生长体系（以B2O3和钼酸锂为助熔剂），从组成和温度两个维度开展熔体结构研究，总结熔体结构随温度和组成的变化规律，认识和分析LiB3O5晶体生长现象，揭示晶体生长现象背后的科学内涵。本项目取得的主要研究成果包括：（1）建立了以高温Raman光谱实验技术和密度泛函理论计算方法为核心的熔体结构研究方法，并成功应用于Li2B4O7、LiB3O5、Li2B8O13、CsB3O5、Li2Mo2O7、Li2Mo3O10、Li2Mo4O13和KNbO3等多种复杂熔体的结构解析。（2）揭示了LiB3O5晶体温致相变过程中的结构变化规律。在LiB3O5晶体的相变过程中不仅存在热力学产物Li3B7O12，也存在动力学产物Li2B4O7，并成功解释了LiB3O5熔体特有的结构记忆效应。（3）建立了Li2O–B2O3二元熔体结构谱系，揭示了Li2O–B2O3二元熔体的结构随组成的变化规律，并成功应用于解释Li2O–B2O3二元熔体的高粘度、粘度反常现象，进一步丰富了对LiB3O5晶体生长微观过程的认识。（4）揭示了钼酸锂助熔剂的结构随组成变化的规律，对钼酸锂熔体的特征Raman振动带进行了精确指认。（5）获得了Li2Mo3O10–LiB3O5熔体结构，揭示了以钼酸锂为助熔剂生长LiB3O5晶体的助熔剂作用机理。解释了LiB3O5晶体的生长习性及其与晶体中缺陷形成和分布的关系。上述研究结果对于总结硼酸盐晶体生长的成功经验，深化对硼酸盐晶体生长现象的认识，以及解决硼酸盐晶体生长问题都将起到积极的推动作用。