文档介绍：线性光学晶体磷酸二氢钾(KDP)的单晶生长与光学性能测定
福州大学化学化工学院
本科实验报告
2012年11月23日
关键字:KDP晶体,红外光谱,X射线粉末衍射法,微机X射线分析,偏光显微分析
研究背景
磷酸二氢钾晶体,简称KDP,属于四方晶系,点群D4h,无色透明,其理想外形如图1所示。该晶体具有多功能性质。上世纪50年代,KDP作为性能优良的压电晶体材料,主要被应用于制造声纳和民用压电换能器。60年代,随着激光技术出现,由于KDP晶体具有较大的非线性光学系数和较高的激光损伤阈值,而且晶体从近红外到紫外波段都有很高的透过率,,同时KDP晶体又是一种性能优良的电光晶体材料。使得该晶体在高功率激光系统受控热核反应、核爆模拟等重大技术上更显现出它的应用前景,因此,对特大尺寸的KDP优质光学晶体的研究,在国内外一直受到研究者的极大关注。
图1. KDP晶体理想外形
实验内容
一、实验目的和要求
1. 了解KDP晶体原料的合成、表征和水溶液降温法单晶生长的基本过程与方法。
2. 掌握KDP晶体溶解度的测定方法,了解KDP晶体结晶****性以及晶体外形、晶体宏观对称性的观察和描述。
3. 掌握晶体偏光性质和油浸法晶体折射率的测定方法、了解晶体光学均匀性、晶体透过率等性能测试的实验原理和方法。
4. 通过该实验的基本训练,了解部分大型仪器设备的基本结构、性能和使用方法,达到提
高本科生科研训练的能力。
二、实验原理
KDP晶体原料的合成是一个简单的酸碱中和反应过程。其反应方程式为:
K2CO3 + H2O = 2KOH + CO2↑ H3PO4 + KOH → H2O + KH2PO4
反应在水溶液中进行,由于KH2PO4在水溶液中存在三级电离,因而溶液中同时存在K、H++、OH-、PO43-、HPO42-、H2PO4-等离子,在不同pH的溶液中,PO43-、HPO42-、H2PO4-和H3PO4等基团所占有的比例不同,在pH=,H2PO4-基团约占有99%,在KDP晶体的合成和单晶生长过程中,选择这样的pH范围是适宜的,H2PO4-基团作为生长基元之一,基团密度大,吸附在晶体生长界面上的生长基元的平均自由程短,在单位时间内扩散到晶体晶格位置的生长基元数目比其他不同的pH溶液的概率多,因而有利于KDP晶体的生长;在合成过程则也有利于提高产率。2晶体生长
从溶液中生长单晶体,很重要的一个参数是了解物质的溶解度。根据溶解度与温度的关系绘制得到物质的溶解度曲线,它是选择晶体生长方法和生长温度区间的重要依据。
在温度不太高的凝聚体系中,压力对溶解度的影响可忽略不计,而温度的影响却十分显著。这种温度~溶解度关系图称溶解度曲线,KDP晶体在水中的溶解度曲线表示在图2中。图3是KDP在水中的溶液状态图,图中A′B′为过饱和曲线,AB为溶解度曲线,曲线AB和A′B′将整个溶液区划分为三个部分:上部为过饱和区,又称不稳定区;下部为未饱和区,又称稳定区。介于两者之间称为介稳区,晶体生长过程状态点处于介稳区内。
溶液介稳区对培养晶体至关重要,人们总是希望析出的溶质在籽晶上生长,介稳区的大小与结晶物质的本性有关,也极易受外界其它生长因素的影响,如搅拌、温度、pH值、杂质等。不同物质溶液的介稳区差别较大,它的大小趋向可以用过饱和度s=(c/c*)或过冷度△t=(t*-t)来表示。KDP晶体的过冷度约为8℃,在水溶液晶体生长中属于较宽的一种。
要使晶体正常生长就必须使溶液处于过饱和状态(介稳区内),由图3可知,使处于c点的不饱和溶液达到饱和状态,有两种方法可供选择:其一是状态经a点到达a′点,采用降温法,保持溶液浓度不变,降低温度达到溶液过饱和;其二是状态经b点到达b′点,采用恒温蒸发法,蒸发溶剂,提高溶液的浓度。对于溶解度温度系数较大的物质,一般采用降温法较理想;而对于溶解度较大,溶解度温度系数较小或有负温度系数的物质,宜采用恒温蒸发法。磷酸二氢钾在高于
40℃时在水中溶解度温度系数较大,但在低于40℃时温度系数较小。
图2. KDP在水中的溶解度曲线图3. KDP溶液状态图
Ⅰ. 不稳定区,Ⅱ. 介稳区,Ⅲ.稳定区
3. 晶体结晶****性
取少量纯固体磷酸二氢钾将其配制成未饱和溶液(以溶解度曲线为依据),自然蒸发数日后逐渐达到饱和,此时溶液形成少量晶核,在结晶驱动力作用下,逐渐形成外形完整的KDP小籽晶。通过结晶性试验,可观察到晶体为四方柱双四方锥透明单晶,通过理想晶体外形观察,可初步了解晶体的对称性情况。
4. 单晶培养
根据物质的溶解度曲线,配置某一温度下一定量的饱和溶液(