介電譜在镥鋁石榴石晶體中的應用

邢　琳，曲良輝，葛向紅，劉生滿，任海振

（中原工學院理學院，河南 鄭州 450007）

介電譜在镥鋁石榴石晶體中的應用

邢琳，曲良輝，葛向紅，劉生滿，任海振

（中原工學院理學院，河南 鄭州 450007）

為研究提拉法生長的镥鋁石榴石單晶中的缺陷，采用波長為254nm、功率為36W的4根低壓汞燈燈管，室溫下在距離镥鋁石榴石單晶樣品15cm遠處對其進行紫外光輻照24h，之后在樣品上下兩個7mm×7mm表面鍍上電極，置于一夾具內，夾具內部由機械泵維持真空環境，外部由液氮控制溫度，利用HP4194A阻抗分析儀對紫外光輻照前后的镥鋁石榴石單晶進行介電譜測試。實驗結果表明：紫外光輻照后的镥鋁石榴石單晶的介電損耗峰出現弛豫，由該弛豫峰對頻率的依賴關系表明這種介電弛豫行為是屬于偶極子取向極化的弛豫型響應，由此根據偶極子的弛豫機理推斷在镥鋁石榴石單晶的晶格中可能存在一定數量的缺陷。

镥鋁石榴石；介電譜；缺陷；紫外光；偶極子

0　引　言

镥鋁石榴石（Lu3Al5O12，LuAG）晶體為立方晶格結構，具有密度大（6.73g/cm3）、有效原子序數高（65）、熔點高（2 010℃）、熱傳導率高（8 W/（m·k））、硬度高（8.5）、熱膨脹系數低（8.8×10-6）及無雙折射效應等特點。此外，LuAG晶體的透明度高、化學穩定性好、機械強度較高，可在長期輻射條件下保持穩定的光學和物化性能，是一種綜合性能優良的激光和閃爍基質材料，近年來得到了廣泛的研究[1-4]。LuAG單晶通常是在2000℃的高溫、鉬坩堝中通過提拉法在還原性氣氛下得到[5-6]。這一生長條件導致LuAG單晶中存在一定數量的缺陷。

根據在不同頻率范圍出現空間極化電荷和偶極子取向極化的弛豫型響應以及原子（離子）極化、價電子極化和內層電子極化的共振型響應，可以判斷出電介質中所存在的極化結構或晶格振動等重要信息，如圖1[7]所示。因此，固體電介質的介電譜可以為電介質的結構確定提供一種強有力的手段。本文應用阻抗分析儀對紫外光輻照前后的LuAG單晶的介電譜進行測試，測定了介電常數和介電損耗曲線，并對測量結果進行分析比較，根據弛豫理論，推斷LuAG單晶的結構。

圖1　典型固體電介質的介電譜示意圖

1　介電譜的測量

介電譜的測量是一種無損測量，介電響應是以電介質為研究對象，以極化、介電弛豫為微觀機制的一種響應。在外加電場的作用下，介質的極化是一種弛豫過程，從一種狀態到另一種狀態要經歷一定的弛豫時間。在交變電場中，這種弛豫就會引起介質損耗[8]。此時的介電常數是一個復數，引入ε= ε′-iε″，復介電常數的實部ε′，對應于電容項，與介質的相對介電常數具有相同的意義，反映了介質束縛電荷的能力；而虛部ε″，對應于損耗項，反映了電場能量變為焦耳熱被物質吸收的介電損失程度。因此，損耗引起的相移角δ的正切，即介電損耗為tanδ=ε″/ε′。

介電譜的測量有多種方法，常用的是電橋法[8]，其介電常數的測量是通過電容的測量來求得的。在射頻范圍，為了保證電容測量的準確度、分辨率和穩定性，通常采用電感耦合或變壓器比例臂的電容電橋系統。

電介質材料的介電測量系統，除了交流電橋外，其組成還有樣品和電極。對固體材料而言，為了便于計算出它的電容值，一般選擇圓形或方形的樣品，且樣品兩表面的平行程度要好，因為這將會直接影響介電常數測量的準確度。另外，在把樣品放到測量電極系統中之前，要在它的表面濺上一層薄的金屬電極，如圖2所示。

圖2　制備的樣品

對于一個做好的電極樣品，其電容值C和介電損耗tanδ可通過該介電測量系統讀出，從而計算出ε′和ε″。另外，在已知ε″的條件下，還可由σ=ωε″得到交流電導率σ（ω）。這樣共得到4個參數ε′、ε″、tanδ和σ來表征電介質材料的介電特性，通常只選用其中的兩個參數。在本文的介電實驗中，選擇的兩個參數為ε′和tanδ。

介電實驗所采用的阻抗分析儀是美國惠普公司生產的HP-4194A。樣品被置于一夾具內，夾具內部由機械泵維持真空環境，外部由液氮控制溫度。樣品先由室溫降至120K左右的低溫，穩定15min后，再由裹在夾具外部的加熱絲自動控制升溫至約360 K，其升溫速率控制在1～1.5 K/min。這里溫度由已校準的Cu-Cux（Ni1-x）熱電偶測出，準確到0.1 K。測量頻率范圍為102～106Hz。

本實驗所使用的晶體尺寸為7mm×7mm×1mm。在進行紫外光輻照時，使用的是波長為254 nm、功率為36W的4根低壓汞燈燈管，室溫下在距離樣品15cm遠處從晶體透光面對樣品連續輻照24 h。樣品輻照后立即在7 mm×7 mm的上下兩個面上鍍上電極，做介電譜的測試。

2　測量結果及分析

由阻抗分析儀的測量可得到對應于不同頻率的ε′值和介電損耗值tanδ隨溫度的變化關系。圖3和圖4分別是對LuAG單晶進行紫外光輻照24 h前后的介電圖譜（圖中給出的是4個有代表性的頻率）。

圖3　紫外光輻照前LuAG單晶對應于不同頻率的ε′值和介電損耗值tanδ隨溫度的變化關系

圖4　紫外光輻照后LuAG單晶對應于不同頻率的ε′值和介電損耗值tanδ隨溫度的變化關系

比較圖3和圖4可看出，紫外光的輻照對樣品產生了一定的影響。ε′隨著頻率的增大逐漸減小，但輻照使ε′變大；輻照對tanδ的影響最為明顯，在低溫段出現了峰值，且該弛豫峰隨著測量頻率的提高而逐漸向高溫段移動。由圖1知，介電損耗峰出現了弛豫，結合ε′和該弛豫峰對頻率的依賴關系表明這種介電弛豫行為是屬于偶極子取向極化的弛豫型響應。

在介電譜中，偶極子的弛豫機制能夠通過樣品中偶極子的運動來描述。一般來說，輻照過程中晶體瞬態色心的產生可分為3個過程[9-10]：1）高能粒子、X射線或紫外線作用于晶體產生電子-空穴對；2）在隨后的冷卻和擴散過程中，電子-空穴對相互分離；3）在電子和空穴的運動過程中，晶格畸變位置（位錯、疇界面等）和點缺陷（空位、雜質離子）都可作為載流子陷阱，俘獲電子或空穴，形成色心。由此推斷出在LuAG單晶樣品中可能存在一定數量的缺陷。

3　影響測量的因素

在介電測量系統中，影響測量結果準確度的主要因素有樣品、電極、溫度、升溫速率、夾具內部液氮的體積等。一般選擇圓形或方形的樣品，樣品兩表面的平行程度要好，且盡可能使得樣品表面積遠大于樣品厚度；對于電極材料的選擇必須滿足以下條件[8，11]：1）電極應該與樣品表面有良好的接觸，無空隙或氣泡；2）電極材料在實驗條件下無變化（如蒸發、氧化等），而且不影響被測介質的性能，更不能與介質起化學作用；3）電極材料應具有良好的導電性能；4）制造容易、安裝方便和工作安全。溫度的影響主要體現在熱電偶是否已經校準、熱電偶精度是否高、是否已經采用冰水混合物確定溫度的零點；升溫速率要盡可能地慢，通常控制在1～1.5K/min；樣品被置于一夾具內，夾具內部由機械泵維持真空環境，外部由液氮控制溫度，因此液氮在夾具內部的容量要適中，過多或過少都會影響夾具內待測樣品處的溫度測量。

4　結束語

LuAG晶體是重要的激光和閃爍基質材料，其結構對性能有重要的影響。本文采用阻抗分析儀對LuAG單晶進行介電譜的測量，通過分析單晶在紫外光輻照后引起的介電損耗弛豫峰推斷出實際生長的LuAG單晶中存在一定數量的缺陷，為LuAG單晶的應用提供理論依據。

[1]PRZYBYLI譵SKAH，WITTLINA，MA C G，et al. Rare-earth antisites in lutetium aluminum garnets：Influence on lattice parameter and Ce3+multicenter structure[J].Optical Materials，2014，36（9）：1515-1519.

[2]XING L，QU L H，HE Q，et al.Solvothermal fabricationandluminescentpropertiesofnanoLuAG：Ce phosphors[J].Micro&Nano Letters，2014，9（1）：60-63.

[3]VONDR魣S姚KOV魣A，BEITLEROV魣A，B魣RTA J，et al. Nanocrystalline Eu-doped Lu3Al5O12phosphor prepared by radiation method[J].Optical Materials，2015（40）：102-106.

[4]邢琳，楊林峰.镥鋁石榴石晶體的性能及其應用[J].陶瓷學報，2012，32（4）：621-625.

[5]XU X D，WANG X D，MENG J Q，et al.Crystal growth，spectral and laser properties of Nd：LuAG single crystal[J].Laser Physics Letters，2009，6（9）：678-681.

[6]DROZDOWSKI W，BRYLEW K，WITKOWSKI M E，et al.Effect of thermal annealing on light yield,low temperature thermoluminescence，and time profiles of LuAG：Pr scintillator crystals[J].Radiation Measurements，2013，56（4）：80-83.

[7]殷之文.電介質物理學[M].2版.北京：科學出版社，2006：331-332.

[8]朱勁松，葛傳珍，許自然，等.晶體物理研究方法[M].南京：南京大學出版社，1990：289-302.

[9]馮錫淇，林奇生，滿振勇，等.鎢酸鉛晶體的本征色心和輻照誘導色心[J].物理學報，2002，51（2）：315-321.

[10]馮錫淇，韓寶國，胡關欽，等.PbWO4閃爍晶體的輻照損傷機理研究[J].物理學報，1999，48（7）：1282-1291.

[11]沙長濤，王珂，覃承彬.基于諧振法測試微波介質材料的介電參數[J].中國測試，2012，38（2）：56-59.

（編輯：莫婕）

Application of dielectric spectroscopy in lutetium aluminum garnet crystal

XING Lin，QU Lianghui，GE Xianghong，LIU Shengman，REN Haizhen
（College of Science，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

To study the defects in lutetium aluminum garnet crystal grown by Czochraski method，samples are irradiated under ultraviolet light（UV）by 4 low pressure mercury lamps（254 nmwavelength，36W）placed 15cm from the samples for 24h at room temperature.Later，the 7mm× 7 mm surface of these samples is coated with silver films and then placed inside an evacuated cylindrical chamber，the exterior of which is submerged in liquid nitrogen during the experiment. Then，dielectric spectroscopy measurement is performed on both the irradiated and the original samples with a HP4194A impedance analyzer.The results show that the dielectric loss peaks of the irradiated samples appear relaxation effects.The dependency of these relaxation peaks on frequencyindicatesthatthedielectricrelaxationbehaviorisaresponsetotheorientation polarization of a permanent dipole.It therefore can be inferred，according to the relaxation mechanism of the dipole，a certain number of defects may exist in lutetium aluminum garnet crystal.

lutetium aluminum garnet；dielectric spectroscopy；defect；UV；dipole

A

1674-5124（2016）03-0024-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.006

2015-07-18；

2015-09-16

河南省高等學校重點科研項目（15A140045）；2015年中國紡織工業聯合會科技指導性項目（2015020）；鄭州市普通科技攻關計劃項目（121PPTGG363-11）

邢琳（1979-），女，河南南陽市人，副教授，博士，主要從事功能材料方面的研究。