有機物摻雜下KDP晶體的光學(xué)與熱學(xué)性質(zhì)研究

司玉璽，李 剛，周廣剛，毛彩菊，盧貴武，劉 堅

(中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院，北京 102249)

1 引 言

磷酸二氫鉀晶體，又稱KDP晶體，是一類具有優(yōu)良性能的非線性晶體材料，也是目前唯一可用于ICF裝置中高功率激光系統(tǒng)的大尺寸非線性晶體材料[1-3]。自20世紀40年代以來，其生長機理、生長技術(shù)和功能用途得到了廣泛深入的研究。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，KDP 晶體的生長受到各種因素的制約，如實驗時的 pH值[4]、合適的實驗溫度、溶液的純度、過飽和度、亞穩(wěn)帶寬、蒸發(fā)速率或降溫速率等[5-6]。其中，生長溶液中的各種可能存在的雜質(zhì)[7]同樣也會對溶液的性質(zhì)、晶體的生長習(xí)性及生長速度等產(chǎn)生重大影響。因此，盧永強等[8]嘗試應(yīng)用Al3+離子摻雜來改善KDP晶體的生長質(zhì)量,并對摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進行研究。王波等[9]則研究了Fe3+離子摻雜對KDP晶體生長習(xí)性的影響。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，有機非線性晶體材料往往具有較好的光學(xué)性能，因此有機物摻雜KDP晶體的研究成為熱點之一[10-11]。本文使用“點籽晶法”生長技術(shù)快速生長了摻雜濃度均為1%M的L-酒石酸、L-苯丙氨酸和L-絲氨酸摻雜KDP晶體，并通過XRD、透過率、紅外光譜、熱分析等方面對所生長晶體進行表征，研究了有機物摻雜對KDP晶體的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的影響。

2 實 驗

2.1 實驗原料及儀器

實驗原料為磷酸二氫鉀(優(yōu)級純)，L-酒石酸(分析純)、L-苯丙氨酸(分析純)以及L-絲氨酸(分析純)，去離子水。主要實驗儀器：電子天平，79-1型磁力加熱攪拌器，育晶器，自制可編程加熱和冷卻循環(huán)器水浴裝置，減壓抽濾瓶。

2.2 實驗過程

采用分析純L-酒石酸、L-苯丙氨酸以及L-絲氨酸，優(yōu)級純磷酸二氫鉀，去離子水作為原料。按照1mol%摻雜比例稱取各原料后進行混合，不斷攪拌使之形成透明溶液，并將溶解的溶液減壓抽濾以提高溶液的純度。將溶液置于育晶器中，配置溶液的飽和溫度均為50 ℃，并用0.22 μm濾膜過濾后在75 ℃過熱24 h，得到穩(wěn)定的母液。然后利用“點籽晶法[12-13]”生長出KDP晶體：首先通過蒸發(fā)法生長出優(yōu)質(zhì)籽晶，將籽晶粘在籽晶桿上并垂直放進可編程加熱和冷卻循環(huán)器水浴裝置中，其中水浴裝置中用于控制結(jié)晶器溫度和溫度波動控制在±0.1 ℃并由可編程控制器控制冷卻速度緩慢降溫并設(shè)置降溫的時間。

四塊晶體的生長過程如下：制備50 ℃下容量為800 mL 的飽和溶液，得到的溶液用0.22 μm的濾紙過濾后作為母液置于恒溫水浴中，這時利用吊晶法測定溶液的飽和溫度記為T，然后過熱至75 ℃，持續(xù)24 h，將籽晶固定在籽晶桿上置于育晶器的中部，并與轉(zhuǎn)動裝置連接，設(shè)置從溶解度開始，設(shè)置晶體生長的降溫程序，以每天0.3 ℃的速率降低溫度，經(jīng)過10 d的生長周期，得到了晶體樣品。晶體生長完成后，取出后吸水并干燥保存，圖1為生長得到的晶體樣本照片。

圖1 生長出的KDP晶體形貌Fig.1 Morphology of the grown KDP crystal

晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)利用X射線衍射儀測定，紅外與光學(xué)透過率數(shù)據(jù)由傅里葉變換紅外光譜儀及紫外可見分光光度計測量，熱學(xué)性質(zhì)通過熱差及熱重分析儀測量分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD圖譜分析

純KDP晶體、摻雜濃度均為1mol%L-酒石酸，L-苯丙氨酸，L-絲氨酸KDP晶體的XRD圖譜見圖2。由圖2可知，對比摻雜有機物前后，四種晶體的衍射峰的峰位并未發(fā)生改變，因此說明摻雜有機物對于KDP晶體的晶胞參數(shù)和晶體外觀沒有明顯影響。純KDP晶體、摻雜1mol%L-酒石酸與摻雜1mol%L-絲氨酸的KDP晶體衍射峰的強度與尖銳程度較為相近，而KDP晶體在摻雜了L-苯丙氨酸后，主衍射峰大幅增強、峰形更為尖銳，說明KDP晶體摻雜L-苯丙氨酸后，晶面的發(fā)育得到改善[14-15]，結(jié)晶質(zhì)量比未摻雜的純KDP晶體更為優(yōu)良。

圖2 不同成分KDP晶體的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of KDP crystals with different compositions

3.2 光學(xué)透過率分析

進行透過分析測量時使用厚度為2 mm的晶體樣品，采用紫外可見分光光度計測量透過率圖如圖3，從圖3可以看出，四種不同成分的晶體在可見光區(qū)域均具備較高的透射率，光學(xué)透過率在350～800 nm波長區(qū)域達到80%以上。當摻雜不同種類的有機物時，KDP晶體的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了不同程度的改變。摻雜L-絲氨酸的KDP晶體，在全波長區(qū)域內(nèi)，光學(xué)透過率較為穩(wěn)定，波動不大，但在可見光區(qū)域較純KDP晶體透過率略低。而摻雜酒石酸以及L-苯丙氨酸后，光學(xué)透過率在350～800 nm區(qū)間較純KDP晶體有所增加，其中摻雜酒石酸的KDP晶體光學(xué)透過率接近90%。這表明，摻雜酒石酸以及L-苯丙氨酸后，KDP晶體的光學(xué)性質(zhì)在一定程度上得到了改善。

圖3 不同成分KDP晶體的光學(xué)透過率圖Fig.3 Optical transmission spectra of KDP crystals with different compositions

3.3 熱分析結(jié)果

對這四種不同成分的KDP晶體進行了熱分析，得到了熱差曲線與熱重分析曲線，分析討論了摻雜對熱學(xué)性質(zhì)的影響[16-17]。由熱差曲線(見圖4)可以看出，摻雜L-苯丙氨酸的KDP晶體，熱量變化不如其他三種晶體顯著。摻雜L-絲氨酸的KDP晶體放熱峰左移，出現(xiàn)在291 ℃，意味著該種晶體熔點溫度降低。摻雜酒石酸的KDP晶體放熱峰右移，放熱峰出現(xiàn)在314 ℃，意味著KDP晶體在摻雜酒石酸后熔點溫度升高。吸熱峰的移動與放熱峰類似，但幅度并不大，意味著摻雜后的晶體與純KDP晶體分解點僅略有不同。從熱重曲線(見圖5)可以看出，純KDP晶體與摻雜后的樣本在210 ℃均能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在較高溫時均經(jīng)歷了明顯的質(zhì)量損失，且質(zhì)量損失最大值約為13%，可見摻雜與否對于晶體的熱穩(wěn)定性影響并不大。

圖4 晶體的熱差異曲線Fig.4 Crystal heat difference curves

圖5 晶體的熱重分析曲線Fig.5 Thermogravimetric analysis curves of crystal

3.4 紅外譜圖表征

圖6 不同成分KDP晶體的紅外譜圖Fig.6 Infrared spectra of KDP crystals with different compositions

測量了范圍為400～4000 cm-1的紅外光譜,純的和L-酒石酸、L-苯丙氨酸、L-絲氨酸摻雜的KDP晶體傅里葉紅外光譜如圖6所示。依據(jù)傅立葉圖譜[18-19]，1100 cm-1處的強峰是由于PO2的對稱伸縮振動，1299 cm-1處的峰值是由于PO2的反對稱伸縮振動。此外，1638 cm-1處的峰值對應(yīng)O=P-OH伸縮振動，540 cm-1處的峰值是由于HO-P-OH的彎曲振動引起的，3447 cm-1處的峰是由于O-H的伸縮振動。1381 cm-1處的弱峰歸屬于HO-C=O反對稱拉伸振動，位于2846 cm-1和2924 cm-1則為碳氫化合物CH2基團對稱和反對稱振動。2347 cm-1處的峰值被指認為氨基酸中的NH2 +或NH3 +基團的特征振動。這些結(jié)果表明了溶液中的三種有機物分子成功摻入KDP晶體中。

4 結(jié) 論

摻雜酒石酸、L-苯丙氨酸以及L-絲氨酸對于KDP晶體的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)具有不同程度的影響。首先摻雜這三種有機物對于晶胞參數(shù)和晶體外觀未起到明顯作用，且晶體分解點變化不顯著。摻雜酒石酸時，晶體光學(xué)性質(zhì)得到改善，熔點溫度升高。摻雜L-苯丙氨酸時，結(jié)晶質(zhì)量提高，光學(xué)性質(zhì)得到改善。而摻雜L-絲氨酸的KDP晶體，晶體的熔點溫度有所降低。