上海光学精密机械研究所----上海光机所在高浓度掺钍氟化钙晶体的结构和性质研究方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百十四期)

2024年5月14日

上海光机所在高浓度掺钍氟化钙晶体的结构和性质研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部激光晶体研究中心团队，基于密度泛函理论计算和晶体生长实验研究了高浓度掺钍氟化钙晶体的结构和性质，相关成果以“Structures and Properties of High-Concentration Doped Th:CaF₂ Single Crystals for Solid-State Nuclear Clock Materials”为题发表于Inorganic Chemistry。

掺钍（Th）晶体是发展固态核激光光谱学和固体核光钟的关键核心材料。研发在Th离子掺杂、VUV透过性能、抗辐照损伤和背景发光噪声等方面具有综合优势的掺 Th 晶体对于该领域的发展十分重要。掺钍氟化钙（Th:CaF₂）晶体是一种性能优良的固体核光钟材料，其不仅能实现高的掺杂水平，且具有较高的真空紫外透过性能和较低的核跃迁带背景发光噪声。然而，有研究指出Th:CaF₂晶体的VUV透过性能表现出了很强的负掺杂浓度依赖特性，即随着掺杂浓度的增加而急剧下降，这限制了Th:CaF₂晶体在掺杂方面的优势。为此，有必要进一步探究Th:CaF₂晶体的结构、缺陷、掺杂浓度和VUV透过性能之间的联系，以揭示影响Th:CaF₂晶体综合性能的潜在因素。

研究团队采用密度泛函理论计算和实验研究了高浓度掺杂Th:CaF₂晶体的结构、缺陷和VUV透过性能。综合热力学和动力学因素对Th:CaF₂晶体中优选的缺陷构型进行了指定，并计算了含有优选缺陷构型的Th:CaF₂晶体的电子光学性质，评估了其对Th:CaF₂晶体真空紫外透过性能的影响。同时，采用提拉法生长了两种高浓度掺杂²³²Th:CaF₂晶体。掺杂浓度为 1.91×10²⁰cm^-3和 2.76×10²⁰cm^-3的 Th:CaF₂晶体样品（1 mm厚）在核跃迁波段（~150 nm）的透过率分别可达~62%和~53%，仅表现出弱的负掺杂浓度依赖特性。团队研制的²³²Th:CaF₂晶体在适应高掺杂浓度的同时保持了相当高的VUV透过率水平，显示出优良的综合性能。