用于可见光波段含稀土磷灰石型硅酸盐磁光晶体的结构调控、生长与性能研究

The visible region is the important spectrum resources of information technology in the future. Magneto-optical material with a high transparency in the visible region has a promising prospect of being widely used in the IT sector, such as visible light communication, integrated optics, and laser display and fiber laser. Taking into account the requirements for an excellent magneto-optical material applied in the visible region, this project is planned to be concentrated on the family of oxyapatite-type rare-earth silicates, which have a high transparency in the considered wavelength region. For the preparation of oxyapatite-type rare-earth silicates crystals with high optical quality, this investigation attempt to employ the theoretical calculations, different synthetic routes and crystal growth methods to optimizing growing conditions and technology. Their physicochemical properties, as well as magneto-optical properties, will also be study, so as to explore the inherent relation between functional structure elements (i.e. lattice structure, electronic structure, and magnetic structure) and magneto-optical properties and further reveal the generation mechanism of magneto-optical phenomena and structure-activity relationship. The results of this project will provide theoretical and experimental basis for the preparations and applications of new visible region magneto-optical crystals.

可见光波段是未来信息技术的重要频谱资源。可见光波段具有较高透过率的磁光材料，在可见光通信、光集成、激光显示和光纤激光等信息科技领域中将有广泛的应用前景。本项目计划研究在可见光波段具有较高透过的含稀土磷灰石型硅酸盐磁光晶体。采用理论计算预测、不同的合成线路和不同的晶体生长方法，研究生长控制条件和工艺，制备高透过、高质量的含稀土磷灰石型硅酸盐晶体；研究其物理化学性能和磁光特性；进而探讨这类晶体的结构功能基元（晶格结构、电子结构和磁结构等）与磁光性能的内在联系，揭示其磁光产生机理和构效关系；项目研究结果将为制备可见光波段的新型磁光晶体及其应用，提供理论和实验依据。

磁光材料及器件在激光、光电子学、光纤通信、光纤传感、光计算机、光信息存贮、激光陀螺等技术中有广泛应用，将成为现代通信、航空、航天、雷达、医疗等领域中不可缺少的关键材料。氧基磷灰石结构化合物是一类具有高温离子导电性、发光性、磁性能以及闪烁性等多种物理化学性能的无机化合物，其化学性能和晶体结构稳定，具有良好的光学、热学和机械性能。稀土Ce3+离子由于具有大的电子有效跃迁效率，能够产生较强的磁光效应，同时原料价格低廉。为了寻找可见光区具有优良磁光效应的晶体材料，本项目以含稀土Ce3+的氧基磷灰石型硅酸盐晶体Sr2Ce8(SiO4)6O2(SCS)和Ce9.33(SiO4)6O2(CSO)作为重点目标，研究了多晶原料的合成方法、晶体生长工艺的控制以及对生长获得的SCS和CSO晶体进行了磁性、光学及磁光性能的测试表征，分析了这类晶体的功能结构基元与磁光性能的关系。主要研究结果如下：. SCS和CSO晶体结构均为六方磷灰石型结构，顺磁性物质，存在磁各向异性，易磁化方向在<001>方向，与光轴重合。由于结构稳定性的差异，与CSO晶体不同，退火后的SCS晶体中仍有少量Ce4+离子的存在。SCS晶体在370-2000nm波段有较高的透过率，达到75％以上，在532、633和1064nm处的费尔德常数分别为-244.3、-160.7和-48.1rad/m·T，约为TGG的1.2倍。CSO晶体的吸收截止边为410nm，相对于SCS晶体的360nm发生明显红移，其在415～2000nm波段有较高的透过率，达到80％左右，在532、633和1064nm处的费尔德常数分别为-325.2、-218.4和-66.1rad/m·T，约为TGG的1.6倍。稀土离子在磷灰石结构中占据两种晶格位置，对比发现，4f格位上的Ce3+离子对费尔德常数的贡献要大于6h格位上Ce3+离子对费尔德常数的贡献。MCD测试表明，硅酸盐基质的晶体场强度比铝酸盐基质的小。在晶体中单位体积磁性离子浓度、易磁化方向、晶体场强度以及基质与稀土离子跃迁的吸收重迭等因素对晶体磁光效应的大小均有影响，这些实验结果对将来发现新型可见-近红外波段的磁光晶体提供了理论和实验依据。