题名金属硼酸盐及磷酸盐紫外光学晶体的研究
作者郭凤娇
答辩日期2019-05-26
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师潘世烈
关键词硼酸盐 磷酸盐 晶体结构 光学性能 倍频性能
学位名称博士
学位专业材料物理与化学
英文摘要

本文以探索结构多样的紫外/深紫外光学晶体材料为目标,以硼酸盐和磷酸盐为研究体系,以引入在紫外波段具有宽透过的阳离子和强电负性的卤素阴离子为合成策略,得到了十余种硼酸盐和磷酸盐化合物。对这些化合物的结构进行了解析、对物理性能进行了测试及分析、对电子结构进行了理论计算。1. BaMBO4 (M = Ga, Al):两例B-O基团从共顶点连接转变到共边连接的硼酸盐在常压条件下合成了两例具有相同化学式BaMBO4 (M = Ga, Al),但结构不同的硼酸盐BaAlBO4和BaGaBO4。BaAlBO4展现出由∞3[Ba4O16]24-网、∞2[Al4O10]8-层和[B4O10]8-基团组成的三维结构,而BaGaBO4的三维结构是由∞2[Ba4O16]24-层、∞2[Ga4O10]8-层和[B2O5]4-基团组成的。其中,BaAlBO4的[B4O10]8-基团包含共边连接的[BO4]5-四面体,根据文献调研发现,共边连接的[BO4]5-四面体极为稀少,尤其在常压条件下合成出的此类硼酸盐中更为罕见。从BaGaBO4到BaAlBO4,它们的B-O基团由于Ba-O和Al-O框架的定向压缩而由共顶点连接转变成了共边连接。2. LnB4O6(OH)2Cl (Ln = La, Ce):两例具有宽紫外透过范围和大倍频效应的稀土硼酸盐采用水热法合成了两例具有类KBe2BO3F2结构的镧系硼酸盐氯化物LaB4O6(OH)2Cl和CeB4O6(OH)2Cl,它们都含有由基本结构单元(FBB)[B4O8(OH)2]10-组成的∞2[B4O6(OH)2]6-层。这两个化合物的分解温度高,且不溶于水和盐酸,能够满足晶体在常温下使用的要求。由于Ce3+有电子跃迁而La3+没有,所以LaB4O6(OH)2Cl的紫外截止边(< 180 nm)远低于CeB4O6(OH)2Cl(310 nm)的,且LaB4O6(OH)2Cl的带隙(> 6.89 eV)远大于CeB4O6(OH)2Cl(4.00 eV)的。LaB4O6(OH)2Cl和CeB4O6(OH)2Cl的倍频效应分别是KH2PO4 (KDP)的2.3和2.1倍。根据第一性原理计算,LaB4O6(OH)2Cl的倍频效应来源于[B4O8(OH)2]10-基团和[LaO8Cl]14-多面体的协同作用。3. Mg(H2O)6B4O5(OH)4(H2O)3:一例深紫外水合硼酸盐采用溶剂蒸发法得到了一例新的水合硼酸盐Mg(H2O)6B4O5(OH)4(H2O)3,其阴离子基团的构型是由[B4O5(OH)4]2-以氢键连接形成的沿bc平面延伸的波浪状层,这些层沿着a轴方向堆叠,Mg原子居于层间。得益于结构中无端氧的悬挂键,该化合物的紫外截止边低于200 nm,达到了深紫外区域。4. Cs2Zn5(PO4)4和Cs3La(PO4)2:两例具有三维结构的含Cs磷酸盐采用高温固相法合成了两例含Cs的磷酸盐化合物,Cs2Zn5(PO4)4和Cs3La(PO4)2。它们都具有三维结构,其中Cs2Zn5(PO4)4含有三维∞3[Zn4P6O16]4-框架,Cs3La(PO4)2包含∞2[La3P6O29]19-层。在M3RE(PO4)2(M为一价碱金属阳离子,RE为三价稀土阳离子)体系中,随着M离子半径的增大,晶体的对称性降低;除此之外,半径较小的RE离子能使化合物更易维持类钾芒硝结构。由于大半径Cs+和La3+离子的存在,所以Cs3La(PO4)2的结构对称性低且不具有类钾芒硝结构。红外测试证实了Cs2Zn5(PO4)4和Cs3La(PO4)2都是正磷酸盐,紫外-可见-近红外漫反射测试表明它们都有从紫外到近红外的宽透光范围,理论计算从微观视角找到了它们电子结构的不同与相似之处。除此之外,合成了Ce3+掺杂的Cs3La(PO4)2荧光体,对其进行了光致发光测试,结果显示该荧光体展示出宽的激发和发射峰,且能被紫外光激发获得蓝色荧光。5. CsZn4(BO3)(PO4)2、CsZn4(PO4)3和RbZn4(PO4)3:基于孤立[BO3]3--[PO4]3-替代设计并合成的一例硼酸-磷酸盐和两例磷酸盐以CsZn4(BO3)3为模板、以[BO3]3--[PO4]3-替代为设计思路,合成出了一例硼酸-磷酸盐CsZn4(BO3)(PO4)2和两例磷酸盐CsZn4(PO4)3、RbZn4(PO4)3。CsZn4(BO3)(PO4)2的三维框架是由∞1[Zn4BO11]11-镜像链和[PO4]3-四面体组成的,CsZn4(PO4)3和RbZn4(PO4)3的三维结构是由∞1[Zn4PO12]11-链和[PO4]3-四面体组成的,它们的Cs原子都位于孔道中。有趣的是,∞1[Zn4BO11]11-镜像链在含锌的硼酸盐、硼磷酸盐和硼酸-磷酸盐中首次被发现。为了更好地了解CsZn4(BO3)(PO4)2的结构,进行了结构对比分析,结果显示金属原子和硼原子与磷原子之和的比值(M/(B+P)比)对阴离子基团的构型有很大的影响。对CsZn4(BO3)x(PO4)3-x (x = 0, 1, 3)进行了结构对比和马德隆能计算,结果显示[BO3]3--[PO4]3-替代在结构和能量方面都是合理且可行的。CsZn4(PO4)3、RbZn4(PO4)3和CsZn4(BO3)(PO4)2的透光范围都很宽,它们的紫外截止边均约为190 nm。

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内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/5991]  
专题新疆理化技术研究所_材料物理与化学研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
郭凤娇. 金属硼酸盐及磷酸盐紫外光学晶体的研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2019.
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