Теплопроводность твердотельных оптических материалов на основе неорганических оксидов и фторидов

• Автор: Попов, Павел Аркадьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Брянск
• Количество страниц: 532 с. : ил.

Оглавление

Введение

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Некоторые вопросы теории температурной зависимости

теплопроводности диэлектрических материалов

1.1.1 Краткий очерк развития учения о теплопроводности кристаллов

1.1.2 Приближение времени релаксации фононов

1.1.3 Теплопроводность кристаллической решетки при высоких температурах

1.2 Исследуемые материалы

1.2.1 Состав, структура, некоторые физические свойства, применение
1.2.2 Гетеровалентные твердые растворы Мі-Д^т*
(структурные особенности, проблемы получения монокристаллов)
1.3 Обзор результатов экспериментальных исследований
теплопроводности исследуемых материалов
1.3.1 Ванадаты
1.3.2 Гранаты
1.3.3 Фториды
Выводы к главе
Глава 2 Экспериментальные методики
2.1 Методика калориметрических измерений
2.2 Методика рентгеновских измерений
2.3 Методика низкотемпературных измерений теплопроводности
2.3.1 Описание установки
2.3.2 Порядок измерений
2.3.3 Оценка погрешности измерений
2.4 Методика высокотемпературных измерений теплопроводности
Глава 3 Теплоемкость, термодинамические характеристики и тепловое расширение оптических кристаллов
3.1 Теплоемкость и термодинамические характеристики
3.1.1 Двойной ванадат кальция-лития СаюМ(Ю4)
3.1.2 Замещённый гексагаллат стронция SrGallMgo5Zro50l9 (НвБ)
3.1.3 Борат бария ВаВ204 (ВВО, а-фаза)
3.1.4 Триборат лития ІЛВ3О5 (ЬВО)
3.1.5 Тетраборат стронция 8гВ407 (БВО)

3.1.6 Ортогерманат висмута Е^ОезО^ (ЕЮО, германоэвлитин)
3.1.7 Фторид европия ЕиБглэб
3.1.8 Трифторид лантана ЬаРз
3.1.9 Изовалентный твердый раствор Сао.2578го.74зр
3.1.10 Дифторид свинца РЬРг
3.1.11 Изовалентный твердый раствор РЬо бвСбо.згРг
3.1.12 Гетеровалентные твердые растворы Са^^Ег^Рз+д: и СаьхУЬдРг+х
3.1.13 Гетеровалентный твердый раствор Bao.70Lao.30F2.
3.2 Тепловое расширение
3.2.1 Замещённый гексагаллат стронция SrGanMgo.5Zro.5O19 (РЮБ)
3.2.2 Триборат лития ЫВ3О5 (ЬВО)
3.2.3 Твердые растворы МР2 (М = Са, Ва) с дифторидами переходных
и трифторидами РЗ металлов
Выводы к главе
Глава 4 Теплопроводность кристаллов ванадатов
4.1 Ортованадат гадолиния 0бУ
4.1.1 Анизотропия теплопроводности вбУСД
4.1.2 Влияние примесей на теплопроводность ОсГУСД
4.2 Ортованадат иттрия УУ
4.2.1 Анизотропия теплопроводности УУСД
4.2.2 Влияние примесей на теплопроводность УУОл
4.2.3 Твёрдые растворы ванадатов
4.3 Сравнение матриц УУ04 и 0ТУ
4.3.1 Теплопроводность
4.3.2 Средняя длина свободного пробега фононов
4.4 Двойные ванадаты СадЩУС^Д и СаюМСУОлД
Выводы к главе
Глава 5 Теплопроводность различных оптических оксидных кристаллов
5.1 Кристаллы галлиевых и алюминиевых гранатов
5.1.1 Хромсодержащие кристаллы ОсЮаО: влияние отжига
5.1.2 Проверка изотропности ТЬОаС
5.1.3 Кристаллы ТЬваО, легированные РЗ
5.1.4 Кристаллы УАЮ:УЬ
5.1.5 Кристаллы УАЮ:Ег
5.1.6 Кристалл УЬАЮ:Тт, Но

5.1.7 Кристаллы GdScGaG:Cr и YScGaG:Cr: влияние отжига
5.1.8 Кристаллы YScGaG: влияние анионных вакансий
5.2 Кристаллы боратов
5.2.1 Триборат лития ПВ3О5 (LBO)
5.2.2 а- и p-модификации бората бария BaB2Û4 (ВВО)
5.2.3 Скандоборат лантана LaSc(B03)4 (LSB)
5.2.4 Тетраборат стронция SrB407 (SBO)
5.3 Ортогерманат висмута BÎ4Ge30i2 (BGO, германоэвлитин)
5.4 Парателлурит ТеОг
5.5 Кристаллы силикатов
5.5.1 Ортосиликаты РЗЭ
5.5.2 Форстерит Mg2Si
5.6 Пьезоэлектрики семейства лангасита: LasGasSiOu,
Ьаз№>о 5Ga5.50i4, Sr3Ga2Ge40i
5.7 Фианиты Zr02:Y2Û
5.8 Замещенный гексагаллат стронция SrGanMgo.5Zro.5O19 (HGS)
5.9 Александрит АЬВе04:Сг3+
5.10 Корунды AI2O
5.11 Кристалл YbCrSO!
Выводы к главе
Глава 6 Теплопроводность непрозрачных твердотельных материалов с различной
степенью структурной упорядоченности
6.1 Бор и бориды
6.1.1 Кристалл p-бора
6.1.2 Кристаллы гексаборидов РЗЭ: LaB6 и SmB
6.1.2 Кристалл полиборида РЗЭ: ЭуВбг
6.2 Кристаллы пирита FeS
6.3 Ситаллы: влияние отжигов при изготовлении
6.4 Керамика на основе А120з
6.5 Керамика на основе A1N
Выводы к главе
Глава 7 Теплопроводность монокристаллов неорганических фторидов
7.1 Матричные кристаллы дифторидов MF2 (М = Са, Sr, Cd, Ва)
7.2 Температурная зависимость средней длины свободного пробега фононов
в монокристаллах MF

применение в качестве керамики и огнеупоров [190]. Монокристаллы форстерита, легированные хромом, используются в качестве лазерных элементов. На кристаллах М§г8Ю4:Сг4+ реализованы перестраиваемая по длине волны импульсная генерация в диапазоне 1.17 - 1.34 мкм, непрерывная генерация (1.23 - 1.3 мкм) [191] и получены ультракороткие лазерные импульсы длительностью 14 фс [192]. Создан новый лазерный материал - кристаллы форстерита с активными центрами Сг3+(М2)-Ы+(М1), на которых получена перестраиваемая лазерная генерация в новом спектральном диапазоне 1.03 - 1.18 мкм [193].
Форстерит кристаллизуется в ромбической сингонии, класс симметрии - ромбо-дипирамидальный (шшт, Бгь), пространственная группа - РЪпт, параметры элементарной ячейки - а ~ 4.7535 А, Ь = 10.1943 А, с = 5.9807 А [194]. Для структуры форстерита характерна близкая к гексагональной двухслойная плотнейшая упаковка из атомов кислорода, расположенных параллельно (100). Структура форстерита [195] образована изолированными тетраэдрами [8Ю4]4_, между которыми находятся ионы магния. Магний занимает 1/2 октаэдрических позиций двух неэквивалентных типов М1 и М2 с инверсионной (СО и зеркальной (С5) симметрией соответственно. Магниевые октаэдры М1 и М2 образуют зигзагообразные цепи, которые чередуются с такими же цепочками из октаэдрических пустот М3 и М4. Кремний занимает 1/8 катионных тетраэдрических позиций. Цепочки заполненных октаэдров первого и третьего слоев связываются кремнекислородными тетраэдрами 81 и разделяются тетраэдрическими пустотами 82 и 83.
Многие авторы, использующие форстерит в твердотельных лазерах, отмечают его относительно низкую теплопроводность. Фирмы, занимающиеся производством и продажей кристаллов форстерита, приводят в своих рекламных буклетах и на сайтах в интернете величину теплопроводности форстерита при комнатной температуре, равную 8 Вт/(м К) (см., например, [196 - 198]).
Данные по теплопроводности форстерита, приводимые в литературе, весьма противоречивы. О результатах измерения температуропроводности одного поликристаллического образца форстерита в области высоких температур сообщалось в статье [199]. Интерполяция полученных в указанной работе значений теплопроводности ИТ) в область комнатной температуры дает значение = 8 Вт/(м К). Для форстеритовой керамики приводится значение теплопроводности
3.8 Вт/(м К) [200]. Здесь следует принять во внимание, что теплопроводность поликристаллического материала обычно ниже, чем у монокристалла, вследствие фононного рассеяния на меж-зеренных границах [2]. Авторы работ [201] и [202], изучавшие образцы минералов форстерита, содержавших от 2 до 9 мольных процентов фаялита РегЭКД, приводят значения 5.03 ± 0.18 и 4.65 ± 0.33 соответственно. Пересчет температуропроводности природного кристалла, содержащего 91 % форстерита и 9 % фаялита, из [203] в теплопроводность дает значение 7.3 Вт(м К). Заметим, однако, что природные кристаллы кроме значительного количества примесей часто имеют дефектную структуру, что также сказывается на величине теплопроводности.