基于XPS和XAFS技术的掺质磷酸钛氧铷晶体的微观结构及其与性能关系的研究

Rubidium titanyl phosphate (RbTiOPO4, abbreviated as RTP) crystal is an excellent nonlinear optical crystal material. It is expected to improve the properties of crystal and broaden its application fields by doping some ions into RTP crystal. In this project, the crystal materials RbTiOPO4 doped with Sb5+, Ta5+ or Sb5+ /Yb3+, Ta5+ /Yb3+ are selected as research object. The change of the microstructure of RTP crystal (such as cation distribution, lattice parameters, metal-oxygen bond, distortion degree of TiO6 octahedra and electronic structure) caused by doping and growth technology and the related mechnaism will be investigated by using X-ray photoelection spectroscopy (XPS) and synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectroscopy (XAFS). The nonlinear optical effect and luminescence properties of the crystal influenced by doping will be also studied. The inherent relationship between the microstructure and property is revealed. It can provide theoretical basis for optimization of crystal properties and exploring the doped RTP optical crystals possessing application value through this project research.

磷酸钛氧铷（RbTiOPO4, 简称RTP）晶体是一种综合性能优良的非线性光学晶体材料，向RTP晶体中掺入异质离子有望改善晶体的性能，拓宽其应用范围。本项目拟选择Sb5+、Ta5+单掺及Sb5+/Yb3+、Ta5+/Yb3+ 双掺杂的RTP晶体为研究对象，采用X射线光电子能谱（XPS）、同步辐射X射线吸收精细结构谱（XAFS）等技术手段，研究掺质及生长技术等因素引起的RTP晶体微观结构（如阳离子分布、晶胞参数、金属-氧键合情况、TiO6八面体扭曲程度及电子结构）的变化及相关机理；以及掺质引起的晶体非线性光学效应、发光等性能的改变，揭示该类晶体材料微观结构与光学性能之间的内在关系及其规律。通过本项目研究，可为优化晶体性能、探索有应用前景的掺质RTP光学晶体提供理论基础依据。

磷酸钛氧铷（RbTiOPO4, 简称RTP）晶体是一种综合性能优良的非线性光学晶体材料，向RTP晶体中掺入异质离子可以改善晶体的性能，拓宽应用范围。本项目采用高温溶液法生长了M5+/Yb3+（M=Ta, Sb）单掺及双掺杂的RTP晶体，掺质后晶体外形呈扁平状，通过优化生长条件得到了质量较好的晶体。采用X射线光电子能谱（XPS）、同步辐射X射线吸收谱（XAFS）等技术研究了掺质RTP晶体的微观结构，分析了掺杂离子对晶体的晶胞参数、电子结构、金属-氧之间的键合情况以及TiO6八面体扭曲程度的影响。结果表明，掺入的Ta5+离子在晶体中占据Ti(1)和Ti(2)位置，晶格中产生了Rb空位。掺Ta后晶体的晶格参数稍微增加；随着掺Ta及Sb浓度的增大，晶体中Rb, Ti, P等元素的结合能值增加，说明掺杂使RTP晶体的电子结构发生了改变；当Sb掺杂浓度从5%增加到10%时，Ti-O键的离子性随Sb浓度的增加而减弱；而P-O键的共价性没有明显变化。对于双掺Ta5+/Yb3+的RTP晶体，随着Ta、Yb掺杂浓度的增大，Ti-O离子键的强度先减弱后增大，而P-O共价键的强度先增大后减弱。离子掺杂对TiO6八面体扭曲程度产生了一定的影响，掺Ta后使其畸变程度增大。.研究了掺杂RTP晶体的热学、光学及非线性等性能，分析了掺杂离子对晶体性能的影响，揭示了晶体的性能与其微观结构之间的内在关系。掺质后晶体的热稳定性提高，具有更高的抗激光损伤阈值；倍频效应随着Ta或Sb掺杂浓度的增加而增强，掺质后结构中TiO6八面体畸变程度增大是其倍频效应增强的主要原因。Ta单掺及Ta/Yb双掺RTP晶体的紫外截止边与RTP晶体相比均发生了红移，该红移与Ta-O键的电子跃迁有关。此外，对Ta/Yb: RTP晶体的发光性能进行了分析研究。该项目研究工作可为优化晶体性能、拓展晶体的应用领域提供理论依据。