本文關(guān)鍵詞：尖晶石型鋁酸鎂基陶瓷光學(xué)性能研究

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【摘要】：MgAl_2O_4陶瓷具有良好的物理、化學(xué)性能,在光學(xué)材料、催化劑、耐火材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如Ga摻雜MgAl_2O_4陶瓷有望用于制備閃爍器、過渡金屬摻雜MgAl_2O_4陶瓷可用于制備可見光波段的可調(diào)諧固體激光器。然而,并未發(fā)現(xiàn)有理論計(jì)算研究Ga、Zn、Cu等元素的摻雜量對其摻雜MgAl_2O_4的光學(xué)性能的影響規(guī)律,也未見有實(shí)驗(yàn)對Zn、Cu摻雜的MgAl_2O_4陶瓷的光致發(fā)光光譜進(jìn)行研究。因此,理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)制備研究Ga、Zn、Cu等元素?fù)诫sMgAl_2O_4陶瓷的光學(xué)性能具有重要理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文通過第一性原理計(jì)算研究了MAl_2O_4 (M=Mg、Zn、Cu)、MgGa_2O_4等純物質(zhì)以及Ga、Zn、Cu等元素?fù)诫sMgAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能,采用常壓燒結(jié)制備了Zn/Cu摻雜MgAl_2O_4陶瓷并研究了它們的光致發(fā)光性能,研究發(fā)現(xiàn)：本文計(jì)算的MAl_2O_4 (M=Mg、Zn、Cu)、MgGa_2O_4等純物質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能與現(xiàn)有文獻(xiàn)基本符合；當(dāng)Ga的摻雜量小于25%、Cu的摻雜量小于12.5%時(shí),它們分別摻雜的MgAl_2O_4保持正尖晶石結(jié)構(gòu),而Zn的摻雜量對摻雜MgAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有很大影響；隨Ga、Zn、Cu摻雜量增大,它們分別摻雜的MgAl_2O_4都是直接帶隙材料且?guī)吨饾u減小,靜態(tài)介電函數(shù)和折射率則逐漸增大,但在可見光區(qū)域都是透明的；900-C制備的純MgAl_2O_4以及Zn/Cu摻雜的MgAl_2O_4粉體都已形成單一的尖晶石相；MgAl_2O_4陶瓷常壓燒結(jié)的最佳溫度和時(shí)間分別是1500℃和5h；1500℃燒結(jié)5h制得的Zn/Cu摻雜MgAl_2O_4陶瓷均已形成尖晶石型陶瓷,其光致發(fā)光光譜中的470nm發(fā)射峰強(qiáng)度分別在Zn摻雜量為0.3%和Cu摻雜量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值；摻入Zn或Cu均會(huì)使MgAl_2O_4陶瓷650nm發(fā)射峰消失、降低720nm發(fā)射峰強(qiáng)度,但Cu的摻雜量對其720nm發(fā)射峰強(qiáng)度的影響更為明顯——隨Cu摻雜量增大而逐漸減小,在Cu摻雜量為1.0%時(shí)已基本消失；摻入的Zn/Cu會(huì)補(bǔ)償Mg空位,從而使摻雜MgAl_2O_4陶瓷的650nm發(fā)射通道湮滅,720nm發(fā)射通道減少。
【關(guān)鍵詞】：MgAl_2O_4基陶瓷 第一性原理計(jì)算 光學(xué)性能 溶膠-凝膠法 光致發(fā)光光譜
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 MgAl_2O_4陶瓷簡介12-13
• 1.1.1 MgAl_2O_4晶體結(jié)構(gòu)12-13
• 1.1.2 MgAl_2O_4陶瓷性能及應(yīng)用13
• 1.2 MgAl_2O_4粉體制備技術(shù)13-16
• 1.2.1 共沉淀法13-14
• 1.2.2 高溫固相法14
• 1.2.3 溶膠-凝膠法14-15
• 1.2.4 水熱法15
• 1.2.5 燃燒法15-16
• 1.2.6 其他方法16
• 1.3 MgAl_2O_4陶瓷燒結(jié)技術(shù)16-18
• 1.3.1 常壓燒結(jié)16
• 1.3.2 熱壓燒結(jié)16-17
• 1.3.3 真空燒結(jié)17
• 1.3.4 放電等離子燒結(jié)17
• 1.3.5 微波燒結(jié)17-18
• 1.4 MgAl_2O_4研究現(xiàn)狀18-24
• 1.4.1 第一性原理計(jì)算研究18-20
• 1.4.1.1 純MgAl_2O_4的計(jì)算18-19
• 1.4.1.2 摻雜MgAl_2O_4的計(jì)算19-20
• 1.4.2 實(shí)驗(yàn)研究20-24
• 1.4.2.1 MgAl_2O_4粉體和陶瓷研究20-23
• 1.4.2.2 摻雜MgAl_2O_4單晶和陶瓷研究23-24
• 1.5 研究意義與研究內(nèi)容24-26
• 1.5.1 研究意義24-25
• 1.5.2 研究內(nèi)容25-26
• 第二章 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方案26-34
• 2.1 第一性原理計(jì)算26-29
• 2.1.1 第一性原理計(jì)算相關(guān)理論26-29
• 2.1.1.1 薛定諤方程26
• 2.1.1.2 密度泛函理論簡介26-27
• 2.1.1.3 交換關(guān)聯(lián)能27
• 2.1.1.4 能帶理論的基本近似27-29
• 2.1.2 CASTEP模塊簡介29
• 2.1.3 純物質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能計(jì)算29
• 2.1.4 摻雜MgAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能計(jì)算29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)制備29-34
• 2.2.1 MgAl_2O_4陶瓷的制備29
• 2.2.2 Zn/Cu摻雜MgAl_2O_4陶瓷的制備29-31
• 2.2.3 陶瓷物相分析及性能表征31-34
• 2.2.3.1 物相(XRD)分析31
• 2.2.3.2 表面形貌(SEM)分析31-32
• 2.2.3.3 光致發(fā)光光譜(PL譜)分析32-34
• 第三章 第一性原理計(jì)算34-80
• 3.1 純物質(zhì)的光學(xué)性能計(jì)算34-56
• 3.1.1 MgAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能34-41
• 3.1.1.1 MgAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)35
• 3.1.1.2 MgAl_2O_4的能帶和態(tài)密度35-36
• 3.1.1.3 MgAl_2O_4的彈性性能36-37
• 3.1.1.4 MgAl_2O_4的光學(xué)性能37-41
• 3.1.2 ZnAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能41-45
• 3.1.2.1 ZnAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)41-42
• 3.1.2.2 ZnAl_2O_4的能帶和態(tài)密度42
• 3.1.2.3 ZnAl_2O_4的彈性性能42-43
• 3.1.2.4 ZnAl_2O_4的光學(xué)性能43-45
• 3.1.3 CuAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能45-50
• 3.1.3.1 CuAl_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)46
• 3.1.3.2 CuAl_2O_4平衡結(jié)構(gòu)的能帶和態(tài)密度46-48
• 3.1.3.3 CuAl_2O_4平衡結(jié)構(gòu)的彈性性能48-49
• 3.1.3.4 CuAl_2O_4平衡結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能49-50
• 3.1.4 MgGa_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能50-56
• 3.1.4.1 MgGa_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)51-52
• 3.1.4.2 MgGa_2O_4的能帶和態(tài)密度52-53
• 3.1.4.3 MgGa_2O_4的彈性性能53-54
• 3.1.4.4 MgGa_2O_4的光學(xué)性能54-56
• 3.2 摻雜MgAl_2O_4的光學(xué)性能計(jì)算56-78
• 3.2.1 MgGa_yAl_(2-y)O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能56-64
• 3.2.1.1 模型與計(jì)算方法56-57
• 3.2.1.2 結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能57-61
• 3.2.1.3 彈性性能61-62
• 3.2.1.4 光學(xué)性能62-64
• 3.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能64-71
• 3.2.2.1 模型與計(jì)算方法64-65
• 3.2.2.2 結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能65-67
• 3.2.2.3 彈性性能67-68
• 3.2.2.4 光學(xué)性能68-71
• 3.2.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能71-78
• 3.2.3.1 模型與計(jì)算方法71-72
• 3.2.3.2 結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能72-75
• 3.2.3.3 彈性性能75
• 3.2.3.4 光學(xué)性能75-78
• 3.3 本章小結(jié)78-80
• 第四章 MgAl_2O_4基陶瓷制備80-98
• 4.1 MgAl_2O_4陶瓷80-87
• 4.1.1 MgAl_2O_4粉體制備80-81
• 4.1.1.1 前驅(qū)體的制備80
• 4.1.1.2 粉體的制備80-81
• 4.1.2 MgAl_2O_4陶瓷燒結(jié)81-87
• 4.1.2.1 燒結(jié)溫度對MgAl_2O_4陶瓷PL譜的影響81-84
• 4.1.2.2 燒結(jié)時(shí)間對MgAl_2O_4陶瓷PL譜的影響84-87
• 4.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷87-92
• 4.2.1 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4粉體制備87-88
• 4.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷燒結(jié)及表征88-92
• 4.2.2.1 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的XRD分析88-89
• 4.2.2.2 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的SEM分析89-90
• 4.2.2.3 Zn_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的PL譜分析90-92
• 4.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷92-97
• 4.3.1 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4粉體制備92-93
• 4.3.2 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷燒結(jié)及表征93-97
• 4.3.2.1 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的XRD分析93
• 4.3.2.2 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的SEM分析93-94
• 4.3.2.3 Cu_yMg_(1-y)Al_2O_4陶瓷的PL譜分析94-97
• 4.4 本章小結(jié)97-98
• 第五章 結(jié)論與展望98-100
• 5.1 結(jié)論98
• 5.2 展望98-100
• 致謝100-102
• 參考文獻(xiàn)102-110
• 附錄A (攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文目錄)110

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本文編號(hào)：754914