探索Bi2O3-SiO2系统高温熔体结构的各向异性..doc

[本报告严格按面上项目撰写提纲撰写] 探索Bi2O3-SiO2系统高温熔体结构的各向异性 一、立项依据与研究内容 1 项目的立项依据 1.1 研究意义 硅酸铋（BSO）是一种十分重要的功能材料，具有独特的光电、电导、声光、压电、铁电性能，可以用来制造高性能光折变晶体、光变色玻璃、高温超导体、电子陶瓷、高选择性催化剂等，在工业、国防、航空、航天、信息、环境、生物医学等领域具有广泛的应用[1-2]。研究Bi2O3-SiO2系统是掌握形成氧化铋和含铋氧化物材料的重要基础。 近年来，有关Bi2O3-SiO2系统的研究大多围绕相平衡、Bi12SiO20单晶制备、材料性能测定及应用展开。已知该系统熔体中可以析出的晶体有Bi12SiO20，Bi4Si3O12和Bi2SiO5。其中前两种是稳定化合物，Bi2SiO5是亚稳态[3-4]。Bi12SiO20单晶制备及应用已经比较成熟，但是针对Bi2O3-SiO2系统中Bi4Si3O12和Bi2SiO5的晶体生长和性质的报道还不多见[5]。总的来说，目前对该系统的全面研究仍十分欠缺，众多研究工作尚未展开，晶体生长基本规律、条件、性能改善、熔体奇异现象及其对结晶的影响因素还未查明，诸多现象仍然无法解释[6]。因此开展该系统熔体结构特性、高温反应过程和结晶行为的研究，对发展该系统新功能晶体材料具有迫切而现实的意义。 本项目围绕Bi2O3-SiO2系统熔体的各向异性提出的主要研究内容对于预测并发现材料的新性能、改进晶体生长技术并提出晶体生长新方法以及制备更优异性能的新材料，具有极其重要的意义。 如果能够深入了解Bi2O3-SiO2系统熔体的各向异性现象，进一步研究其它系统熔体的类似现象和特点并开展其应用工作，将会得到非常有意义的结果。研究成果未来可能用于瞬时高温记录材料和仪器、高温敏感材料和元件、高温状态显示材料和装置的开发，这对空间探索、地球演变历史模拟、地质资源勘探、功能材料开发等航空、航天、国防、军事、资源、工业和人类生活将产生巨大而深远的影响。 1.2 国内外研究现状及发展动态分析 硅酸铋中最重要的是Bi12SiO20（BSO）晶体，这是一种宽带隙、高电阻率的非铁电立方半绝缘体，同时具有电光、光电导、光折变、压电、声光、旋光及法拉弟等效应。由于其特殊的光折变性能[7]，在室温下用低功率激光就可实现多种非线性光学变换。这种晶体的灵敏度高、响应速度快，可以反复使用而不发生损坏或疲劳，在实时光信息处理和光计算等技术中有广泛的应用，其中包括实时全息摄影记录材料、PROM和PRIZ空间光调制器、光存储、实时干涉量度、图象转换、相共扼以及光藕合等许多领域。 这些应用对于含Bi2O3材料的制备以及质量有严格的要求。1967年Ballman首次报道了用提拉法制备出BSO单晶。由于该方法的许多优点，如生产设备简单、易于控制、可操作性强、成本低等，提拉法一直是国内外生长BSO单晶的主要方法。但是由于重力场及表面张力等因素的影响，所得的单晶样品不可避免地具有生长条纹、核心及位错等缺陷。另一种较常用的是坩埚下降法和晶体下降法，通过延长铂坩埚熔炼时间和适当降低晶体生长炉温，明显降低了铂包裹体等缺陷，最终获得了50*35*35mm的优良单晶。也有文献报道用水热法生长BSO单晶。这种方法具有生长大尺寸单晶的潜在能力，同时提高了单晶质量，缺点是得到的样品不具有光折变效应。周燕飞等人对比了地面条件下生长的晶体与飞船上生长的单晶性能，发现微重力条件下生长的单晶光学性能明显优于地面生长的晶体。也有人采用化学气相沉积及液相外延法生长了BSO单晶薄膜。提拉法和坩埚下降法是生长大尺寸、高质量BSO单晶的最基本，也是最成熟的方法。近年来，有关BSO晶体的研究主要集中在单晶的掺杂改性以及超细粉体的制备方面。 Bi4Si3O12是一种新型闪烁晶体，是闪烁体Bi4Ge3O12（BGO）的最佳替代品之一，具有良好的机械和化学稳定性以及优良的光电、热释光特性[8]。例如，高能正负电子存储环探测器中的BSO量能器。这不仅是由于用价格便宜的SiO2代替昂贵的GeO2可以大大降低原料的成本[9]，而且Bi4Si3O12具有优良的闪烁性能，它的衰减常数为100ns，仅为BGO的1/3，光产额为BGO的20%。 亚稳相晶体Bi2SiO5具有介电、热电以及非线性光学等性质，它的非对称晶体结构使其可能具有铁电性质[10-11]。 图1 Bi4Si3O12晶体的用途（光开关，闪烁体，高温超导体，变色玻璃） 目前Bi2O3-SiO2系统以及含Bi2O3系统熔体结构与特性的研究主要集中在两个方面。一方面是关于含Bi2O3系统亚稳态生成与稳定性研究[12-16]，主要包括熔体特性以及熔体凝固形成亚稳相的条件[17-21]。另一方面集中