论文部分内容阅读
Bi4Si3O12（BSO）是一种新型闪烁晶体，是闪烁体Bi4Ge3O12（BGO）的最佳替代品之一，具有良好的机械和化学稳定性以及优良的光电、热释光特性。Bi2O3-SiO2系统熔体析出的晶体有Bi12SiO20，Bi4Si3O12和Bi2SiO5。其中前两种是稳定化合物，Bi2SiO5是亚稳态晶体。Bi12SiO20单晶的制备及应用己较成熟，但是针对Bi2O3-SiO2系统中Bi4Si3O12和Bi2SiO5的晶体生长和性质的报道还不多见。目前对该系统的全面研究仍十分欠缺，众多研究工作尚未展开，晶体生长基本规律、条件、性能改善、熔体奇异现象及其对结晶的影响因素还未查明，诸多现象仍然无法解释。
本课题研究了Bi2O3-SiO2系统在不同温度条件下经固相反应生成的晶体形貌。利用X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）分析了生成晶体的物相，通过环境扫描电镜（Environmental Scanning Electron Microscopy，ESEM）观察了生成晶体的微观形貌。研究表明：在800℃反应三小时后体系生成的Bi4Si3O12晶体为闪铋矿（eulytite）结构，晶体的生长形貌呈高有序的畴结构特征，该结构的形成是由于Bi4Si3O12晶粒{124}晶面生长快而{204}晶面生长较慢所致。Bi4Si3O12晶体的畴结构在发育过程中，呈典型的父代子代关系。父代在发育过程中，可以发育为几列性质相同的子代Bi4Si3O12晶体。在一定的温度梯度下，裂纹首先产生于晶体的缺陷部位，由于晶面{124}的结合能较低，裂纹沿该晶面扩展，整体断裂为穿晶断裂。当Bi4Si3O12晶体相对晶面的尺寸相差较大时，可以形成空隙。空隙的发育与相对晶面的尺寸及方向有关。
对于具有高有序结构的Bi4Si3O12晶体，随着晶粒尺寸正态分布特性的提高，其每行晶体的周期性和完整性也逐步提高。这可能是由于晶粒的生长遵循OR机制，较小的晶粒消失，而较大尺寸的晶粒得以生长造成的。尺寸逐渐增大或减小的Bi4Si3O12晶粒可以形成高有序结构，其中生长特性相反的相邻两行晶粒之间可以形成致密排列。
Bi2O3-SiO2系统在640℃即开始固相反应生成Bi12SiO20和Bi4Si3O12。生成的Bi12SiO20晶体为sillenite结构，生成的Bi4Si3O12晶体为eulytite结构。在680℃-750℃范围内，Bi2O3-SiO2系统产物为Bi12SiO20及少量的Bi4Si3O12。温度升高，Bi12SiO20晶体生成量急剧增加，晶粒尺寸也相应增大，而Bi4Si3O12晶体生成量增加较慢。在750℃～900℃范围内，Bi2O3-SiO2系统的主要产物为Bi4Si3O12晶体，且随温度升高，晶粒尺寸增大，而Bi12SiO20晶体含量逐渐减少。整个升温过程中，Bi2O3-SiO2系统优先生成Bi12SiO20晶体。750℃后，Bi12SiO20晶体减少，而Bi4Si3O12晶体含量增加。至900℃时Bi2O3-SiO2系统产物为单组分的Bi4Si3O12晶体，Bi12SiO20晶体完全消失。
进一步的研究发现，在800℃下反应不同时间，体系合成Bi12SiO20晶体逐渐转化为Bi4Si3O12。体系中Bi4Si3O12晶体呈高有序的结构特征。随着时间的延长，具有畴结构的Bi4Si3O12晶体颗粒尺寸不断增大，畴结构特征不变。固相反应6小时后，Bi4Si3O12晶体的畴结构逐渐消失，Bi4Si3O12晶体部分颗粒异常生长。生成的Bi4Si3O12晶粒具有单晶的结构特性。