宽带增透膜在透镜和太阳能电池等领域具有广泛应用, 其中多孔结构增透膜表现出巨大潜力。本工作研究了一种由原子层沉积(ALD)法制备的多孔SiO₂折射率梯度减反射膜。通过磷酸刻蚀Al₂O₃/SiO₂多层膜, 得到具有渐变孔隙率的多孔SiO₂膜, 折射率从衬底到表面逐渐降低。在320~1200 nm波长范围内, 薄膜的平均透过率达97.8%。利用稀土氧化物La₂O₃表面改性, 薄膜表面形成荷叶状疏水结构, 水接触角为100.0°, 在保持薄膜透过率的同时显著提高了疏水自清洁能力。改性薄膜在擦拭测试后未受到破坏, 表明其具有优异的表面耐久性, 而且环境适应性得到明显增强。

Y₃Al₂Ga₃O₁₂:Ce³⁺,Cr³⁺(YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺)作为长余辉发光材料, 具有初始发光强度高和余辉时间长的优点, 在长余辉发光材料应用中具有广阔的前景。目前, YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺粉体具有良好的余辉性能, 但陶瓷的余辉性能还有待进一步优化。本工作通过固相反应及空气预烧结、热等静压烧结(HIP)后处理和空气退火制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的(Y_0.998Ce_0.002)₃(Al_1-xCr_x)₂Ga₃O₁₂陶瓷, 研究了Cr³⁺掺杂浓度对陶瓷的微观结构、光学性能和余辉性能的影响。结果表明, 随着Cr³⁺掺杂浓度从0.025%增加到0.2%(原子百分数), 预烧结陶瓷或HIP后处理陶瓷的微观结构没有明显变化, 但陶瓷的直线透过率逐渐增加, 余辉性能逐渐下降。其中, 掺杂了0.025% Cr³⁺的YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺陶瓷经过空气预烧结结合HIP后处理和空气退火后, 具有超过6055 mcd/m²的最强初始发光强度和1030 min的最长余辉时间。本工作通过优化Cr³⁺掺杂浓度和制备工艺, 使得YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺陶瓷的长余辉发光(PersL)性能得到明显提升。

在光电子器件领域, 具有可控电学参数的p型透明半导体材料具有重要的应用价值。但以CuI为代表的该类材料在制备工艺与掺杂调控方面仍存在显著技术瓶颈。本研究通过锰阳离子掺杂, 成功制备出具有可调电学特性的新型p型透明半导体材料, 为透明电子学发展提供了新思路。采用反应磁控溅射技术制备的Cu_1-xMn_xI固溶体薄膜展现出独特的性能优势。首先, 该材料可以在室温条件下制备, 并保持优异的可见光透明性。其次, 随着锰掺杂量(x)的增加, 薄膜晶粒尺寸逐渐减小, 并且出现明显的晶粒团聚现象。通过X射线光电子能谱分析, 揭示了薄膜中锰离子以Mn²⁺和Mn³⁺混合价态存在。电学性能表征显示, 薄膜电阻率可在0.017~2.5 Ω·cm区间实现两个数量级的可控调节, 同时空穴载流子浓度稳定维持在10¹⁸~10¹⁹ cm^-3较高数量级。与传统n型半导体掺杂规律不同, 引入高价态锰离子未显著影响材料的p型导电特性, 这可能源于锰取代亚铜离子后形成的非完全离域电子态。本研究表明CuI半导体的空穴导电特性不易受高价锰离子掺杂的影响, 有望在保持良好p型导电性的情况下在较大范围内实现材料组分的宽域调控, 为开发CuI基多功能透明电子器件提供了重要材料基础。

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种集声光、电光、弹光、光折变等优越物理特性于一身的多功能晶体, 不仅被誉为“光学硅”, 更有学者提出人类正在进入“铌酸锂谷”时代, 其优异的光电性能使基于其的各类光电器件在人工智能、光电混合集成等新兴领域具有广阔的应用前景。光折变效应是LN晶体非常重要的特性。随着基于LN的光电器件向微纳级尺寸迅速发展, 光折变效应在微纳级尺寸也已逐渐显现。LN单晶是在非绝缘体上采用铌酸锂单晶薄膜(Lithium Niobate on Insulator, LNOI)技术制备各类器件的基材, 可通过掺杂合适的杂质离子来调控光折变性能。相对于传统的低价态阳离子(化合价<铌离子+5价), 近年来发现掺入高价态阳离子(化合价≥铌离子+5价)更有利于提升LN晶体的光折变性能。本文综述了已有报道的高价态阳离子掺杂LN晶体光折变性能的研究成果, 归纳总结出掺钒、钼、铀、铋等高价态离子可以显著提升LN晶体的光折变性能, 尤其是能够有效缩短光折变响应时间, 这有利于LN在微环谐振器、可编程光子器件、非线性光子器件等微纳器件领域的应用。同时, 提出未来可围绕高价态离子掺杂LN, 在高质量大尺寸晶体生长技术、光折变机理、其他具有孤对电子的离子掺杂、基于高价态离子掺杂LN的光电器件这四方面进行研究。

金刚石具有优异的性能, 在光学、电子器件热管理及宽禁带半导体领域有着广阔的应用前景, 被誉为终代半导体。作为光学窗口, 需要大尺寸、厚度2 mm以上的CVD (Chemical Vapor Deposition, 化学气相沉积)金刚石自支撑厚膜; 在半导体散热中, 则需要4英寸(1英寸=2.54 cm)以上、100 μm厚的金刚石自支撑膜与GaN等半导体材料进行键合。但由于技术限制, 大面积CVD金刚石膜的合成及应用依旧存在较大困难。一方面, 沉积过程中应力会导致金刚石膜发生破裂; 另一方面, 残余应力会导致金刚石膜发生翘曲, 键合质量变差。因此, 控制金刚石膜的应力成为目前金刚石膜规模化、大范围应用的一个关键问题。本文综述了CVD金刚石应力的分类、来源以及影响应力的各种因素, 详细介绍了抑制金刚石膜应力的措施。同时, 总结了通过人为施加应力来改善金刚石性能的研究, 包括应力改变金刚石带隙、应力提高金刚石热导率等。最后, 给出了评价金刚石应力大小的方法及理论计算公式, 并分析了未来金刚石膜应力研究的趋势。

Sc₂O₃作为固体激光增益材料的基质, 具有热导率高、与激活离子匹配性好等优点, 在高功率固体激光应用中有着广阔的应用前景。目前, Yb掺杂的Sc₂O₃陶瓷可以在很高的烧结温度下合成, 但陶瓷的光学质量和烧结温度还有待进一步优化。本研究采用碳酸氢铵共沉淀法制备了分散性好、平均晶粒尺寸29 nm的立方相5%Yb:Sc₂O₃(掺杂量为质量分数)纳米粉体, 并采用真空预烧结和热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)后处理制备了5%Yb:Sc₂O₃透明陶瓷, 详细研究了真空预烧结温度(1500~1700 ℃)对Yb:Sc₂O₃陶瓷的致密化过程、微观结构变化及光学透过率的影响。结果表明, 所有样品均具有均匀的微观结构, 且随着烧结温度的升高, 样品的平均晶粒尺寸增大。值得注意的是, 1550 ℃预烧的Yb:Sc₂O₃陶瓷经HIP后处理后, 在1100 nm处的最佳直线透过率达到78.1%(理论值为80%)。同时, 还评估了Yb:Sc₂O₃陶瓷的光谱性能。5%Yb:Sc₂O₃陶瓷的最小粒子数反转参数β₂和发光衰减时间分别为0.041和0.49 ms。综上所述, 采用共沉淀法成功制备了Yb:Sc₂O₃纳米粉体, 通过1550 ℃真空预烧结和HIP后处理得到光学质量良好的Yb:Sc₂O₃透明陶瓷。

Y₂O₃以其优良的物理化学性质和在280 nm~8 μm宽频段内的高透明性, 而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y₂O₃陶瓷是目前的研究热点和难点, 而高质量的粉体是制备高透明Y₂O₃陶瓷的关键, 尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料, 采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y₂O₃粉体。采用不同方法研究了Y₂O₃前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm, 800 ℃煅烧2 h得到的Y₂O₃粉体尺寸约为260 nm。在800 ℃煅烧后即可得到纯相的Y₂O₃粉体, 粉体呈球形, 分散性好, 且粒径均匀。以该Y₂O₃粉体为原料, 添加原子分数0.3%的Nb₂O₅为烧结助剂, 在1780 ℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y₂O₃陶瓷。材料的光学性质优良, 即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%, 在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y₂O₃透明陶瓷提供了一种新的方法。

MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷具有优异的光学性能, 其制备依赖于高质量坯体的凝胶注模成型和长时间的无压预烧。本研究选择MgF₂为烧结助剂, 并通过瞬时液相调节无压预烧的致密化过程。采用干压成型、无压预烧和热等静压烧结制备了不同尺寸的MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷样品, 并系统分析了MgF₂对材料显微结构、光学和机械性能的影响。研究表明：MgF₂在~1230 ℃熔化形成的液相促使陶瓷的致密度与晶粒尺寸增大, 后续烧结过程中残留的MgF₂氧化为MgO并固溶进入MgAl_1.9Ga_0.1O₄晶格。添加质量分数0.2% MgF₂的2.04 mm厚透明陶瓷样品在紫外和可见光区域具有76.5%~83.4%的直线透过率和较高的光学质量。此外, 该陶瓷的特征抗弯强度为167.1 MPa, 与细晶MgAl₂O₄透明陶瓷相近, 但是前者的Weibull模数(8.81±0.29)更高。本研究为制备光学性能良好的大尺寸MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷提供了新的选择。

透明AlON具有优异的光学和力学性能, 应用前景广阔。但材料制备成本高昂, 限制了其应用发展。为解决上述问题, 本研究以透明AlON的凝胶浇注成型与无压烧结制备为核心目标, 就AlON细粉的低温合成及其抗水化处理展开重点研究。研究发现以有机聚合物包覆AlN/Al₂O₃为原料, 通过高温碳热-氮化工艺合成AlON, 可有效降低AlON的合成温度, 在1700 ℃即可合成近乎纯相的AlON粉体。所得粉体颗粒尺寸细小, 在亚微米级。通过对上述粉体进行聚氨酯包覆表面抗水化处理, 可大幅度提升其抗水化性能。即使历经长达72 h水中静置, 也不发生明显的水解。以此为基础, 通过凝胶浇注成型结合生坯的冷等静压后处理在1820~1850 ℃成功实现了透明AlON陶瓷的无压烧结制备。材料力学和光学性能优异, 其中1850 ℃烧结试样在紫外-中红外波段直线透过率达到83.1%~ 86.2%, 三点抗弯强度达到310 MPa。

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域, 由于³He资源紧缺, 近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体, Cs₂LaLiBr₆:Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出, 但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr⁴⁺共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分, 结果表明Zr⁴⁺成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响, Zr⁴⁺共掺杂后没有产生新的发光中心, 紫外衰减时间约为27.0 ns, 仍具有较快的荧光衰减。Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit, FOM)从1.2提高到1.5, 表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间, 探讨了衰减时间对FOM的影响机制, Zr⁴⁺共掺杂可以抑制浅电子陷阱和V_k中心, 减少电子捕获和脱陷过程, 使Ce³⁺直接捕获的概率大大增加, 从而表现出更快的衰减速率。本研究显示, Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体在中子/伽马探测领域具有潜在的应用前景。