中远红外相干源在红外探测、红外医疗、红外对抗等军事领域和民用领域均有着广泛的应用。采用非线性光学晶体对现有的成熟激光进行非线性变频是中红外激光产生的重要途径之一。红外非线性光学(IR-NLO)晶体是器件制作的关键材料。近几十年来,包括 AgGaSe2、AgGaS2、ZnGeP2(ZGP)、CdGeAs2、CdSiP2(CSP)在内的黄铜矿半导体因其独特的物理性质,受到科研工作者的广泛关注。其中,CdSiP2具有红外透过范围宽、非线性光学系数大、双折射适宜、热导率高、硬度大、抗光损伤阈值高等优异性质,同时CdSiP2晶体在1064 nm处双光子吸收(TPA)很小,是可以用1064 nm的激光泵浦,输出6.0 μm以上可调谐激光的非线性系数最大的红外光学材料。CdSiP2晶体独特的光学特性,以及较高的硬度(9.3 GPa)和良好的热导率(13.6 Wm-1K-1),使其在中远红外激光领域有重要的应用潜力。本论文针对CdSiP2晶体的多晶合成、单晶生长以及缺陷表征开展系统研究,主要内容包括:(1)综述了磷族和硫族三元化合物单晶体的性能特点及发展趋势,并详细介绍了布里奇曼法晶体生长技术,系统地阐述了 CdSiP2晶体超快激光研究进展。基于这些总结,提出了本论文的选题依据、目的及主要研究内容。(2)自主设计了双温区CdSiP2多晶料合成炉,并对炉膛温度场进行设计与改造,确保安全高效地合成CdSiP2多晶料。分别采用单温区法和双温区气相输运法进行CdSiP2多晶料的合成。通过双温区气相输运工艺的反复优化,已实现单管合成140 g的高纯、致密、结晶质量较好的CdSiP2多晶料,并有效地避免了爆管现象发生。合成周期由单温区的14天缩短到7天以内,大大提高了 CdSiP2多晶合成效率。系统研究了双温区法合成CdSiP2的中间生成物,分析了合成化学反应过程及其对应中间生成产物的温度范围。研究结果表明,双温区法合成CdSiP2包括两个步骤:二元磷镉化合物的形成;磷镉化合物与硅反应生成CdSiP2。反应温度在850℃以下时,CdSiP2合成的主要反应中间体为CdP2、Cd2P3,当高温区温度高于1050℃时,CdSiP2开始形成。研究结果对改进合成工艺、提高合成CdSiP2多晶质量具有重要借鉴和指导的意义。(3)采用自发成核的方法生长CdSiP2晶体,通过探索与优化工艺条件成功稳定生长直径Φ12 mm的CdSiP2晶体,解决了晶体开裂、晶体表面孔洞等问题,为后期CdSiP2晶体定向籽晶生长提供了有力指导。采用籽晶法生长出直径Φ15 mm,长度60 mm的CdSiP2晶体。解决了籽晶熔接的关键技术,降低了晶体定向及加工的难度,提高了晶体的利用率,为后期CdSiP2晶体性能测试及退火研究,提供了有力保障。用高分辨X射线衍射仪对CdSiP2晶体质量进行表征,单晶摇摆曲线对称良好,无劈裂峰,晶体(004)面的半峰宽为40",表明晶体的单晶性良好。探究了坩埚下降速度及坩埚旋转速度对CdSiP2晶体生长的影响,定向籽晶法生长CdSiP2晶体时,坩埚下降速率一般为0.2-0.5 mm/h,坩埚旋转速度一般为 5-10 r/min。(4)对CdSiP2晶体的透过光谱进行表征,CdSiP2晶体透过范围为0.5-10μm,在透过波段有较高的透过率。研究了 CdSiP2晶体裂纹和开裂产生的原因及抑制措施。采用电子顺磁共振技术对晶体内部的杂质缺陷进行表征,在室温条件下测得典型的Mn2+的超精细结构,为五组六重对称峰;在2 K温度下测得晶体内部存在Fe+(3d7)离子取代Cd2+离子产生的取代缺陷。采用辉光放电质谱法对样品的杂质含量进行分析,在晶体中检测出含量较高的过渡金属元素Fe,Mn,Ti,Cr,以及主族金属Al,Mg,Na。这些金属杂质可以置换晶体中Cd或Si的位置,形成置换点缺陷。通过对比确定晶体在1.78 μm处的强吸收是由Fe杂质引起的。对CdSiP2晶体进行气氛退火后处理,研究结果表明,在P气氛、CdP2气氛、CdSiP2气氛750℃退火150 h后三个样品的紫外截止边均没有变化,在可见近红外波段的透过率均有提高,在CdSiP2本征气氛750℃退火150h后晶片在700 nm附近的小的吸收峰消失且没有新的吸收峰出现,晶体透光性能改善效果最佳。同时晶片在1064 nm处的吸收系数降为0.18 cm-1,说明我们的退火工艺效果显著,为CdSiP2晶体器件应用奠定了基础。