介电谱在镥铝石榴石晶体中的应用

邢　琳，曲良辉，葛向红，刘生满，任海振

（中原工学院理学院，河南 郑州 450007）

介电谱在镥铝石榴石晶体中的应用

邢琳，曲良辉，葛向红，刘生满，任海振

（中原工学院理学院，河南 郑州 450007）

为研究提拉法生长的镥铝石榴石单晶中的缺陷，采用波长为254nm、功率为36W的4根低压汞灯灯管，室温下在距离镥铝石榴石单晶样品15cm远处对其进行紫外光辐照24h，之后在样品上下两个7mm×7mm表面镀上电极，置于一夹具内，夹具内部由机械泵维持真空环境，外部由液氮控制温度，利用HP4194A阻抗分析仪对紫外光辐照前后的镥铝石榴石单晶进行介电谱测试。实验结果表明：紫外光辐照后的镥铝石榴石单晶的介电损耗峰出现弛豫，由该弛豫峰对频率的依赖关系表明这种介电弛豫行为是属于偶极子取向极化的弛豫型响应，由此根据偶极子的弛豫机理推断在镥铝石榴石单晶的晶格中可能存在一定数量的缺陷。

镥铝石榴石；介电谱；缺陷；紫外光；偶极子

0　引　言

镥铝石榴石（Lu3Al5O12，LuAG）晶体为立方晶格结构，具有密度大（6.73g/cm3）、有效原子序数高（65）、熔点高（2 010℃）、热传导率高（8 W/（m·k））、硬度高（8.5）、热膨胀系数低（8.8×10-6）及无双折射效应等特点。此外，LuAG晶体的透明度高、化学稳定性好、机械强度较高，可在长期辐射条件下保持稳定的光学和物化性能，是一种综合性能优良的激光和闪烁基质材料，近年来得到了广泛的研究[1-4]。LuAG单晶通常是在2000℃的高温、钼坩埚中通过提拉法在还原性气氛下得到[5-6]。这一生长条件导致LuAG单晶中存在一定数量的缺陷。

根据在不同频率范围出现空间极化电荷和偶极子取向极化的弛豫型响应以及原子（离子）极化、价电子极化和内层电子极化的共振型响应，可以判断出电介质中所存在的极化结构或晶格振动等重要信息，如图1[7]所示。因此，固体电介质的介电谱可以为电介质的结构确定提供一种强有力的手段。本文应用阻抗分析仪对紫外光辐照前后的LuAG单晶的介电谱进行测试，测定了介电常数和介电损耗曲线，并对测量结果进行分析比较，根据弛豫理论，推断LuAG单晶的结构。

图1　典型固体电介质的介电谱示意图

1　介电谱的测量

介电谱的测量是一种无损测量，介电响应是以电介质为研究对象，以极化、介电弛豫为微观机制的一种响应。在外加电场的作用下，介质的极化是一种弛豫过程，从一种状态到另一种状态要经历一定的弛豫时间。在交变电场中，这种弛豫就会引起介质损耗[8]。此时的介电常数是一个复数，引入ε= ε′-iε″，复介电常数的实部ε′，对应于电容项，与介质的相对介电常数具有相同的意义，反映了介质束缚电荷的能力；而虚部ε″，对应于损耗项，反映了电场能量变为焦耳热被物质吸收的介电损失程度。因此，损耗引起的相移角δ的正切，即介电损耗为tanδ=ε″/ε′。

介电谱的测量有多种方法，常用的是电桥法[8]，其介电常数的测量是通过电容的测量来求得的。在射频范围，为了保证电容测量的准确度、分辨率和稳定性，通常采用电感耦合或变压器比例臂的电容电桥系统。

电介质材料的介电测量系统，除了交流电桥外，其组成还有样品和电极。对固体材料而言，为了便于计算出它的电容值，一般选择圆形或方形的样品，且样品两表面的平行程度要好，因为这将会直接影响介电常数测量的准确度。另外，在把样品放到测量电极系统中之前，要在它的表面溅上一层薄的金属电极，如图2所示。

图2　制备的样品

对于一个做好的电极样品，其电容值C和介电损耗tanδ可通过该介电测量系统读出，从而计算出ε′和ε″。另外，在已知ε″的条件下，还可由σ=ωε″得到交流电导率σ（ω）。这样共得到4个参数ε′、ε″、tanδ和σ来表征电介质材料的介电特性，通常只选用其中的两个参数。在本文的介电实验中，选择的两个参数为ε′和tanδ。

介电实验所采用的阻抗分析仪是美国惠普公司生产的HP-4194A。样品被置于一夹具内，夹具内部由机械泵维持真空环境，外部由液氮控制温度。样品先由室温降至120K左右的低温，稳定15min后，再由裹在夹具外部的加热丝自动控制升温至约360 K，其升温速率控制在1～1.5 K/min。这里温度由已校准的Cu-Cux（Ni1-x）热电偶测出，准确到0.1 K。测量频率范围为102～106Hz。

本实验所使用的晶体尺寸为7mm×7mm×1mm。在进行紫外光辐照时，使用的是波长为254 nm、功率为36W的4根低压汞灯灯管，室温下在距离样品15cm远处从晶体透光面对样品连续辐照24 h。样品辐照后立即在7 mm×7 mm的上下两个面上镀上电极，做介电谱的测试。

2　测量结果及分析

由阻抗分析仪的测量可得到对应于不同频率的ε′值和介电损耗值tanδ随温度的变化关系。图3和图4分别是对LuAG单晶进行紫外光辐照24 h前后的介电图谱（图中给出的是4个有代表性的频率）。

图3　紫外光辐照前LuAG单晶对应于不同频率的ε′值和介电损耗值tanδ随温度的变化关系

图4　紫外光辐照后LuAG单晶对应于不同频率的ε′值和介电损耗值tanδ随温度的变化关系

比较图3和图4可看出，紫外光的辐照对样品产生了一定的影响。ε′随着频率的增大逐渐减小，但辐照使ε′变大；辐照对tanδ的影响最为明显，在低温段出现了峰值，且该弛豫峰随着测量频率的提高而逐渐向高温段移动。由图1知，介电损耗峰出现了弛豫，结合ε′和该弛豫峰对频率的依赖关系表明这种介电弛豫行为是属于偶极子取向极化的弛豫型响应。

在介电谱中，偶极子的弛豫机制能够通过样品中偶极子的运动来描述。一般来说，辐照过程中晶体瞬态色心的产生可分为3个过程[9-10]：1）高能粒子、X射线或紫外线作用于晶体产生电子-空穴对；2）在随后的冷却和扩散过程中，电子-空穴对相互分离；3）在电子和空穴的运动过程中，晶格畸变位置（位错、畴界面等）和点缺陷（空位、杂质离子）都可作为载流子陷阱，俘获电子或空穴，形成色心。由此推断出在LuAG单晶样品中可能存在一定数量的缺陷。

3　影响测量的因素

在介电测量系统中，影响测量结果准确度的主要因素有样品、电极、温度、升温速率、夹具内部液氮的体积等。一般选择圆形或方形的样品，样品两表面的平行程度要好，且尽可能使得样品表面积远大于样品厚度；对于电极材料的选择必须满足以下条件[8，11]：1）电极应该与样品表面有良好的接触，无空隙或气泡；2）电极材料在实验条件下无变化（如蒸发、氧化等），而且不影响被测介质的性能，更不能与介质起化学作用；3）电极材料应具有良好的导电性能；4）制造容易、安装方便和工作安全。温度的影响主要体现在热电偶是否已经校准、热电偶精度是否高、是否已经采用冰水混合物确定温度的零点；升温速率要尽可能地慢，通常控制在1～1.5K/min；样品被置于一夹具内，夹具内部由机械泵维持真空环境，外部由液氮控制温度，因此液氮在夹具内部的容量要适中，过多或过少都会影响夹具内待测样品处的温度测量。

4　结束语

LuAG晶体是重要的激光和闪烁基质材料，其结构对性能有重要的影响。本文采用阻抗分析仪对LuAG单晶进行介电谱的测量，通过分析单晶在紫外光辐照后引起的介电损耗弛豫峰推断出实际生长的LuAG单晶中存在一定数量的缺陷，为LuAG单晶的应用提供理论依据。

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（编辑：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

河南省高等学校重点科研项目（15A140045）；2015年中国纺织工业联合会科技指导性项目（2015020）；郑州市普通科技攻关计划项目（121PPTGG363-11）

邢琳（1979-），女，河南南阳市人，副教授，博士，主要从事功能材料方面的研究。