液相外延法生长掺杂Tm3+和Yb3+的MgWO4晶体薄膜

《Crystal Growth & Design》：Liquid Phase Epitaxy Growth of Tm3+ and Yb3+ Doped MgWO4 Crystalline Thin-Films

单晶薄膜、液相外延法、晶体质量、薄盘激光器、晶格失配、稀土掺杂

　　在科学研究中，晶体材料的生长技术一直是推动新型光学器件发展的重要手段。近年来，液相外延（LPE）技术因其能够实现高质量、单晶结构的生长而受到广泛关注。特别是在激光材料领域，LPE技术被用于制备具有优异光学性能的薄膜，从而为激光器的设计和应用提供了新的可能性。本文报道了一项重要的研究进展，即首次通过LPE方法成功生长了掺杂Tm3?和Yb3?的单晶MgWO?薄膜，并将其沉积在未掺杂的（010）取向MgWO?衬底上。这一成果不仅展示了LPE技术在制备高厚度、透明且无裂纹的晶体薄膜方面的潜力，还为未来在薄盘激光器中的应用奠定了基础。

MgWO?作为一种单晶材料，具有显著的光学各向异性和良好的热导率（约8.7 W/m·K），使其成为掺杂三价稀土离子的理想选择。相比之下，其他常见的单晶材料如双钨酸盐（例如KY(WO?)?）虽然在某些方面表现优异，但其热导率较低（约3 W/m·K），限制了其在高功率激光器中的应用潜力。因此，MgWO?因其优越的物理特性，被认为是具有广泛应用前景的激光材料。本文中，研究人员通过调整生长条件，成功实现了Tm3?和Yb3?在MgWO?中的掺杂，并且获得了具有高透明度、无裂纹、结构优良的单晶薄膜。这些薄膜不仅厚度达到数百微米，而且在与衬底接触的界面处表现出良好的结合性，界面清晰且无扩散现象，说明其在生长过程中保持了较高的结构完整性。

研究团队采用了一种标准的顶籽溶液生长（TSSG）方法来制备未掺杂的MgWO?单晶衬底，用于后续的LPE生长实验。通过控制溶液的温度梯度和冷却速率，成功获得了尺寸为11.3 mm × 10.6 mm × 14.9 mm的高质量晶体，具有轻微的粉色外观，表明其光学性能良好。随后，利用LPE技术在这些衬底上生长了掺杂薄膜。实验中，研究人员采用了K?WO?作为溶剂，这一选择不仅因为其熔点较低，还因为它能够有效降低溶液的粘度，从而提高生长速率。生长过程中，通过精确控制温度和溶液的均匀性，确保了薄膜的均匀性和高质量。

为了进一步验证薄膜的结构和质量，研究团队使用了高分辨率X射线衍射（HRXRD）技术，对（030）晶面的反射进行分析。结果表明，Tm3?掺杂薄膜的FWHM值为115弧秒，而Yb3?掺杂薄膜的FWHM值为140弧秒，这些数值与衬底的FWHM值非常接近，说明薄膜具有良好的晶体质量和高度有序的晶格结构。此外，环境扫描电子显微镜（ESEM）分析显示，薄膜与衬底之间的界面清晰、连续，且无粗糙或裂纹现象，进一步支持了其结构的稳定性。电子探针微分析（EPMA）则证实了掺杂离子在薄膜中的有效限制，表明其在生长过程中并未扩散到衬底中，从而保持了良好的化学和结构边界。

为了评估薄膜的界面匹配情况，研究团队对不同晶面的晶格常数进行了计算，结果显示，Tm3?和Yb3?掺杂薄膜与衬底之间的晶格失配非常低。这种低失配特性对于实现高质量的外延生长至关重要，因为它有助于减少界面应力，防止裂纹的产生。同时，由于MgWO?具有良好的晶体结构和热导率，使其在LPE生长过程中能够实现较高的晶体质量，为后续的激光应用提供了坚实的基础。

在实验过程中，研究团队还采用了多种表征方法，包括X射线衍射（XRD）、共聚焦显微镜和三维表面形貌分析。这些方法不仅验证了薄膜的晶体结构和生长方向，还对其表面粗糙度和均匀性进行了详细评估。结果显示，Tm3?掺杂薄膜的表面粗糙度为75.5 nm，而Yb3?掺杂薄膜的表面粗糙度为0.62 μm，说明Tm3?掺杂薄膜在表面质量上优于Yb3?掺杂薄膜。这种差异可能与初始掺杂浓度和生长环境有关，较低的Tm3?初始浓度有助于减少表面不稳定性，而较高的Yb3?浓度则可能引入更多的界面应变。

此外，研究团队还通过EPMA测量了薄膜与衬底界面处的元素分布，结果显示Tm3?和Yb3?的浓度在界面处呈现出明显的突变，表明掺杂离子在生长过程中被有效地限制在薄膜区域，没有扩散到衬底中。这种清晰的界面不仅保证了薄膜的结构完整性，还为其在光学或功能应用中的使用提供了重要保障。特别是在激光器中，这种界面的稳定性对于实现高吸收效率和良好的热管理至关重要。

综上所述，本文的研究成果表明，LPE技术在制备高质量、高透明度、无裂纹的MgWO?掺杂薄膜方面具有显著优势。通过优化生长条件，研究者成功实现了Tm3?和Yb3?在MgWO?中的有效掺杂，为未来在薄盘激光器中的应用提供了新的材料选择。这些薄膜不仅在结构和形态上表现出色，而且其光学性能和热管理能力也符合激光器的实际需求。随着对这类材料的进一步研究，它们有望成为下一代高功率、高性能激光器的重要组成部分。