Yb:YAG 晶体色心缺陷的实验与计算研究

《Solid State Communications》：Experimental and computational investigation on the color center defects of Yb:YAG crystal

　　

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  通过实验和DFT计算研究了Yb:YAG中的色心。
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  确定Yb:YAG中的主要色心为F?心。
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  氧空位捕获电子形成F?心，导致蓝绿色。
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  Yb掺杂将氧空位扩散势垒从3.383 eV降低至2.906 eV。
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  建议在1000-1400 °C进行退火以消除Yb:YAG中的色心。

引言

钇铝石榴石（YAG）晶体[1]具有优异的物理性能，如高化学稳定性和辐射稳定性、宽带隙、高熔点（1970 °C）、高硬度和高热导率。在光学领域，它是一种优异的激光基质材料。YAG晶体中Y³⁺的半径与其他三价稀土离子的半径相似，使得Nd³⁺、Yb³⁺等三价稀土离子可以很容易地掺入YAG晶格中。因此，稀土掺杂YAG（Re:YAG）晶体已成为最重要的固体激光材料之一。

目前，Nd:YAG晶体[2]在医疗、工业和军事领域应用最为广泛，也是高功率激光器的重要激光介质。然而，高能量、高功率固态激光器的需求仍在不断发展，而所生长的Nd:YAG激光晶体的尺寸和光学均匀性难以满足高功率固态激光器的日益增长的需求。为了应对这一挑战，大尺寸Yb:YAG晶体[[3], [4], [5], [6], [7], [8]]的制备已成为重要的研究领域。Yb:YAG具有高掺杂浓度、泵浦辐射产生的热量少和荧光寿命长等优点。其宽吸收带可与二极管泵浦波长有效耦合。因此，Yb:YAG晶体逐渐成为一个新的研究热点和最吸引人的固态激光材料之一。

目前，虽然已经开发出8~10英寸的Yb:YAG晶体，但色心缺陷仍然是大尺寸Yb:YAG晶体中需要解决的关键问题之一。Qiu等人[9]测试了未退火Yb:YAG晶体的吸收光谱，在370 nm和625 nm处有两个吸收峰。这些特征吸收峰在退火后消失，表明色心与Vo处的F心有关。Lu等人[10]进行了相同的实验，认为370 nm处的吸收峰是由Yb²⁺的f-d轨道跃迁引起的，而625 nm处的吸收峰是由F心引起的。Yang等人[11]测试了未退火Yb:YAG晶体的吸收光谱，发现在370 nm和670 nm处有两个吸收峰。认为670 nm处的吸收峰是由F心引起的。退火后，在240~280 nm处出现了新的吸收带。认为色心的吸收带跃迁与Yb²⁺的价态跃迁有关。

如上所述，可以发现以前用于研究晶体色心的方法相当有限。吸收光谱法是研究色心的常用方法。该方法无法将色心与Yb:YAG的详细电子结构联系起来，也无法通过电子结构阐明色心的形成机理。因此，我们将第一性原理计算与实验方法相结合，系统地研究了Yb:YAG晶体的色心缺陷。该方法在阐明掺杂和色心缺陷引起的原子和电子结构变化方面具有显著优势。通过计算晶格参数、电子结构、掺杂和空位形成能，以及光学和扩散性能的变化，有助于理解Yb:YAG晶体中色心缺陷的特征，可以为高质量、大尺寸Yb:YAG晶体的生产和激光设计提供理论指导。

各章节摘要

晶体生长、退火及XRD测试

Yb:YAG晶体在N₂气氛中生长，这种条件容易导致产生Vo缺陷。使用金刚石单丝切割机将一个掺杂浓度约为2.05 at.%的未退火Yb:YAG晶体一分为二。将其中一半在1300 °C下退火1440 h。退火和未退火的Yb:YAG分别如图1(a)和(b)所示。可以看出，未退火的Yb:YAG呈深绿色，而退火后的Yb:YAG透明，这表明

计算与实验晶格常数

优化了纯YAG的晶格结构，得到平衡晶格参数a = 12.0053 ?。与实验值[16] 12.000 ?相比，晶胞参数误差仅为0.04%，这表明计算的晶格参数是可靠的。四个模型的晶胞参数如图3所示。晶格参数随掺杂浓度的增加略有减小，因为Yb³⁺的半径（0.0985 nm）略小于Y³⁺

结论

本研究系统考察了Yb³⁺掺杂和氧空位对YAG晶体电子结构和光学特性的影响。全面分析了晶格参数、电子态、成键布居数和光学性质的变化。我们的分析表明，更高的掺杂浓度导致晶格畸变增加，引起非均匀键长和原子电荷。Yb³⁺掺杂导致扩散势垒降低，这

CRediT作者贡献声明

Rui Zhang：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿。Qingli Zhang：撰写–审阅与编辑，验证，资源，方法论，调查。Rongguo Ma：形式分析。Guihua Sun：数据整理，形式分析，资金获取，调查。Zhao Chen：资源，调查。Renqin Dou：验证。Xiaofei Wang：方法论，方法论。Jinyun Gao：验证。Yi He：可视化。Qi Zhang：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2023YFB3507403，2022YFB3605700）、安徽省引聚高层次人才计划（项目编号202301JB006）、激光器件技术重点实验室开放项目、中国兵器工业集团有限公司（KLLDT202414）、国家自然科学基金（项目编号52272011）以及中国科学院青年创新促进会（CAS，项目编号2023463）的资助。

Rui Zhang|Qingli Zhang|Rongguo Ma|Guihua Sun|Zhao Chen|Renqin Dou|Xiaofei Wang|Jinyun Gao|Yi He|Qi Zhang