摘要
体全息存储技术凭借高存储密度、高传输速率和低耗能等优势逐渐发展为当今社会热门的存储技术。铌酸锂（LiNbO3）晶体因具有优异的光折变性能被视为优秀的体全息存储介质材料，本文选择共掺杂铁离子和铜离子的铌酸锂晶体作为研究对象，两种离子可共同作为晶体的双光折变中心以提高晶体的光折变性能。在此基础上选择添加具有低阈值浓度的钪离子掺杂来提升晶体的抗光损伤能力，为深入探索钪离子掺杂改性作用，系统地研究了钪离子对晶体缺陷结构及全息存储性能的影响。 采用丘克拉斯基法（也称提拉法）生长了掺杂不同浓度钪离子（0,1,2,3mol%）和共掺铁和铜离子（1mol%）的高质量钪铁铜铌酸锂晶体。从晶体的预处理环节到加工处理过程进行了全面总结，确定了适合晶体生长的最佳工艺参数。经过极化、定向处理、切割、研磨和抛光等方法加工后的晶体将用于下一阶段测试。 通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP－AES）测试了钪离子、铁离子和铜离子的有效分凝系数。测试结果表明随着熔体中氧化钪浓度的上升，钪离子的有效分凝系数逐渐减少，铁离子和铜离子的有效分凝系数均以不同增长速率趋近于1。通过红外吸收光谱测试可知，钪离子进入晶格后优先取代反位铌缺陷（NbLi4+），当钪离子浓度达到3mol%时，钪离子将NbLi4+缺陷完全取代并占据晶格中正常的锂位和铌位，形成ScLi2+－ScNb2-缺陷基团，吸收峰出现蓝移现象，说明此时钪离子达到阈值浓度。由X射线衍射测试可知，钪离子进入晶格后没有新的衍射峰生成，证明了晶胞结构没有发生变化。经过对晶格常数的计算，发现晶胞体积先变大后开始收缩，说明钪离子浓度的改变会引起离子在晶格中占位情况的变化从而形成不同类型的缺陷基团。 通过双波耦合实验测试了晶体的光折变性能，讨论了不同钪离子浓度对光折变性能的影响。实验结果表明，当钪离子浓度由1mol%增加到3mol%时，写入时间由705.62s降到250.45s，动态范围由1.06增加至7.21。饱和衍射效率由52.1%增加至68.1%，且时间缩短了近一半。光折变灵敏度由0.02cm/J提高到0.066cm/J，饱和折射率调制度由4.72×10-5增加至5.36×10-5，光电导由0.35×10-12cm/Ω·W增加至0.99×10-12cm/Ω·W。以上结果证明钪离子掺杂浓度的增加使得晶体的光折变性能得到明显改善。在此过程中，钪离子没有参与载流子的运输和光栅的形成过程中，主要以改变掺杂离子的占位方式和形成新的缺陷基团来提升晶体的全息存储性能。最后利用双折射梯度法对掺杂不同浓度钪离子的晶体进行各个方向上折射率测试，通过计算引入双折射梯度?R对晶体的光学均匀性进行表征。由实验结果可知，?R与掺杂离子浓度成反比，且?R值越小晶体的光学均匀性越优异。当钪离子掺杂浓度为3mol%时，Sc∶Fe∶Cu∶LiNbO3晶体具有最小的双折射梯度?R值3.3×10-5cm-1，为具有最佳光学均匀性的全息存储材料。
NETL