微波陶瓷材料晶格振动模的描述及红外/拉曼光谱的指认

振动光谱是研究微波介质材料本征性质微观机理的方法之一，而振动光谱中晶格振动模的指认与原子振动方式的描述是该研究的基础。本课题拟以几种典型的微波介质材料,如Al2O3、CaTiO3、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、Ba(Mg1/2W1/2)O3及非整比材料，如Ba(Mg1/3-xNb2/3)O3等体系为研究对象，利用群论对以上材料体系进行对称性与振动坐标分析，进行晶格振动的第一性原理计算与振动模的描述，制备样品，测试其振动光谱和微波介电性质，实现振动光谱的指认，分析不同振动模对微波介电性质的影响。获得组成、结构、振动光谱与材料微波性能关系的知识，并在其指导下尝试设计合成和优化新型微波介质材料。本研究对铁电、压电和荧光等材料也有重要的借鉴意义。

微波介质陶瓷的介电性质与材料的晶格振动特性相关。1980年代以来，科学家做了很多的研究工作，通过拟合材料的远红外反射光谱分析振动模对材料介电性能的贡献。然而，这些研究不能够描述振动模中原子的具体振动形式。我们通过第一性原理计算，结合群论分析，对几种微波介质陶瓷振动光谱中振动模进行了指认，描述了各振动模中原子的振动形式。我们还将相应的研究方法移植到无机荧光材料的研究中。取得的主要研究结果如下：..1. 在钙钛矿类微波陶瓷的振动光谱中，~200 cm-1以下的振动模可以描述为A-BO6的外部振动；~200 cm-1 到~500 cm-1之间的振动模可以看成是B-O6的内部振动；~500 cm-1 以上的振动模中阳离子的位移较小，可以看成是O6八面体笼的呼吸振动。低频振动模中金属原子的位移贡献相对较大；高频振动模中金属原子的贡献减小，主要是O原子位移的贡献。对材料介电性能有较大贡献的振动模主要是低频下的A-BO6外部振动和B-O6内部振动。..2. 多种微波陶瓷钛酸盐材料具有n型导电性。N2气氛处理增加了材料中氧空位的浓度和电导率，而O2气氛的处理降低了氧空位的浓度和电导率。但材料的介电损耗与缺陷的浓度没有明显的关系。退火处理，消除了晶格的应力，可以改善了材料的损耗性能。..3. 在Eu2+ 和Mn2+ 激活的M5(PO4)3Cl (M = Ca, Sr) 磷灰石荧光材料中探讨了基质声子频率与材料发光效率的关系。高的基质声子频率使材料无辐射跃迁的几率增加，发光效率下降。Sr的原子量比Ca大，其声子频率较低，因而Eu2+ 和Mn2+ 在Sr基质的发光效率高于Ca基质。基质声子频率是筛选优良荧光基质材料时需要考虑的重要因素之一。..4. 激活剂离子在基质材料中占据格位是否有选择性是无机荧光材料研究中重要的基础问题之一。以Eu2+ 激活的M5(PO4)3Cl (M = Ca, Sr, Ba)为研究对象，通过第一性原理计算Eu2+占据不同格位的体系与未掺杂材料的能量差。结果表明，在Ca和Sr基质中，Eu2+倾向于占据8配位 (MO6Cl2) 的6h格位；而在Ba基质中，Eu2+倾向于占据6配位 (MO6) 的4f格位。计算结果可以合理解释Eu2+在Ba基质中的发射带展宽和长波拖尾现象。.