尖晶石型铝酸镁基陶瓷光学性能研究.doc

尖晶石型铝酸镁基陶瓷光学性能研究MgAl₂O₄陶瓷具有良好的物理、化学性能,在光学材料、催化剂、耐火材料等领域应用广泛,如Ga掺杂MgAl₂O₄陶瓷有望用于制备闪烁器、过渡金属掺杂MgAl₂O₄陶瓷可用于制备可见光波段的可调谐固体激光器。然而,并未发现有理论计算研究Ga、Zn、Cu等元素的掺杂量对其掺杂MgAl₂O₄的光学性能的影响规律,也未见有实验对Zn、Cu掺杂的MgAl₂O₄陶瓷的光致发光光谱进行研究。因此,理论计算和实验制备研究Ga、Zn、Cu等元素掺杂MgAl₂O₄陶瓷的光学性能具有重要理论指导意义和应用价值。本文通过第一性原理计算研究了MAl₂O₄（M=Mg、Zn、Cu）、MgGa₂O₄等纯物质以及Ga、Zn、Cu等元素掺杂MgAl₂O₄的结构参数和光学性能,采用常压烧结制备了Zn/Cu掺杂MgAl₂O₄陶瓷并研究了它们的光致发光性能,研究发现：本文计算的MAl₂O₄（M=Mg、Zn、Cu）、MgGa₂O₄等纯物质的结构参数和光学性能与现有文献基本符合；当Ga的掺杂量小于25%、Cu的掺杂量小于12.5%时,它们分别掺杂的MgAl₂O₄保持正尖晶石结构,而Zn的掺杂量对掺杂MgAl₂O₄的结构参数没有很大影响；随Ga、Zn、Cu掺杂量增大,它们分别掺杂的MgAl₂O₄都是直接带隙材料且带隙逐渐减小,静态介电函数和折射率则逐渐增大,但在可见光区域都是透明的；900-C制备的纯MgAl₂O₄以及Zn/Cu掺杂的MgAl₂O₄粉体都已形成单一的尖晶石相；MgAl₂O₄陶瓷常压烧结的最佳温度和时间分别是1500℃和5h；1500℃烧结5h制得的Zn/Cu掺杂MgAl₂O₄陶瓷均已形成尖晶石型陶瓷,其光致发光光谱中的470nm发射峰强度分别在Zn掺杂量为0.3%和Cu掺杂量为0.5%时达到最大值；掺入Zn或Cu均会使MgAl₂O₄陶瓷650nm发射峰消失、降低720nm发射峰强度,但Cu的掺杂量对其720nm发射峰强度的影响更为明显——随Cu掺杂量增大而逐渐减小,在Cu掺杂量为1.0%时已基本消失；掺入的Zn/Cu会补偿Mg空位,从而使掺杂MgAl₂O₄陶瓷的650nm发射通道湮灭,720nm发射通道减少。