新一代高功率激光浮区法单晶炉助力哈尔滨工业大学 极端材料晶体生长实验及相关研究

• 功率更高，能量密度更大，加热效率更高

• 采用独 家ZL技术五路激光设计，确保熔区能量分布更加均匀

• 更加科学的激光光斑优化方案，有助于降低晶体生长过程中的热应力

• 采用了独特的实时温度集成控制系统

      超导材料和性质的研究一直是当前凝聚态物理领域的热点之一，自从上个世纪在铜氧化物或酮酸盐中发现高温超导以来，关于其他类铜氧化物材料及其高温超导电性的研究也从未停止过。由于镍在元素周期表中处于铜的邻近位置，二者在性质上有些共同之处，因此镍氧化物或镍酸盐也常被认为是一种极具潜力的高温超导备选材料。

      2019年平面镍酸盐中超导性的发现再次向人们提出了Ni¹⁺化合物和Cu²⁺铜酸盐两种超导体的电子结构和相关性对比研究问题。近期，Haoxiang Li等人^[1]对三层镍酸盐Pr₄Ni₃O₈做了角分辨光电子能谱（ARPES）研究，研究表明Pr₄Ni₃O₈具有类似于空穴掺杂铜酸盐的费米面，二者类似但却又非常不同。具体来说，Pr₄Ni₃O₈费米面的主要部分与双层铜酸盐的主要部分非常相似，但Pr₄Ni₃O₈的费米面还有一个额外的部分可以容纳额外的空穴掺杂。Haoxiang Li等人发现镍酸盐中的电子相关性大约是铜酸盐的两倍，并且几乎与k无关，这表明其起源于局域效应，可能是莫特相互作用；而铜酸盐中的相互作用则不那么局域化。尽管如此，镍酸盐仍然表现出电子散射率中的奇异金属行为。了解这两个强相关超导体家族之间的异同极具挑战性。关于该项工作的更多研究内容可参考文献^[1]。

Crystal structure and Fermi surface of Pr₄Ni₃O₈  图片引自^[1]

Comparing electronic correlation effects of Pr₄Ni₃O₈ and cuprates 图片引自^[1]

      Haoxiang Li等人在该项研究中所用的Pr₄Ni₃O₈单晶样品是在德国ScIDre公司的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶生长设备中制备获得（O₂气氛，140 bar压力）。德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶炉可实现高达3000℃及以上的生长温度，晶体生长腔压力可达300 bar，可实现10-5 mbar的高真空环境，适用于生长各种超导材料、介电材料、磁性材料、电池材料等各种氧化物及金属间化合物单晶生长。

德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶炉外观图

[1] Electronic structure and correlations in planar trilayer nickelate Pr₄Ni₃O₈ Li H, Hao P, Zhang J, Gordon K, Linn AG, Chen X, Zheng H, Zhou X, Mitchell JF, Dessau DS. Sci. Adv. 9, eade4418 (2023) 13 January 2023   Doi: 10.1126/sciadv.ade4418

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科研快报
磁性是在宏观和微观物质世界中都普遍存在的性质之一，从电子到我们赖以生存的地球，人们对磁性的研究和应用无处不在，因此深入研究物质的磁性及其背后的机理一直是凝聚态物理领域的重要研究热点之一。众所周知，奇异的磁性行为往往源于竞争性相互作用。人们在几何受挫体系中已经对此进行了研究，如三角形、笼目、超笼目和烧绿石晶格体系等。其中，在烧绿石晶格上，磁矩位于共顶点四面体网络的节点上，在一定条件下，这样的体系可以进入自旋冰态。处于自旋冰态的两个自旋指向四面体的中心，另外两个自旋背离四面体的中心。一些稀土烧绿石氧化物，如Ho2Ti2O7或Dy2Ti2O7等均已被发现存在自旋冰。

目前理论上已通过晶体场低激发态、多极相互作用等角度来研究量子自旋冰。越来越多的证据表明，含有Ce3+的烧绿石（比如Ce2Sn2O7、Ce2Zr2O7等）是3D量子自旋液体的具体实例，值得对类似材料做更深入的研究。Ce2Hf2O7是上述Ce2Sn2O7、Ce2Zr2O7之外的另外一种含Ce3+的烧绿石化合物。近期，瑞士保罗谢勒研究所Victor Porée等人报道了Ce2Hf2O7+δ的制备和表征工作，重 点关注了四价Ce离子在样品中的浓度情况。作者通过对样品的晶体场分析和磁测量的结果对比详细研究了单离子性质；磁化率数据显示，在Ce2Hf2O7中观察到了跟Ce2SnO7类似的磁性行为，表明其可能也是八极量子自旋冰基态。

Victor Porée等人在该项工作中，采用德国ScIDre公司研发的HKZ高温高压光学浮区炉进行了Ce2Hf2O7晶体生长实验。

上述截图引自[1]

上述截图引自[1]

设备简介

德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶炉可实现高达3000℃甚至及以上的晶体生长温度，晶体生长腔压力可高达300 bar，可实现10-5mbar的高真空环境，适用于生长各种超导材料、介电材料、磁性材料、电池材料等各种氧化物及金属间化合物单晶生长。

德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区炉外观图

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参考文献：

[1] Crystal-field states and defect levels in candidate quantum spin ice Ce2Hf2O7 Victor Porée, Elsa Lhotel, Sylvain Petit, Aleksandra Krajewska, Pascal Puphal, Adam H. Clark, Vladimir Pomjakushin, Helen C. Walker, Nicolas Gauthier, Dariusz J. Gawryluk, and Romain Sibille, Phys. Rev. Materials 6, 044406 – Published 13 April 2022

    高温、高压和快速反应相关的高能反应系统常常依赖于吸收光谱学进行反应动力学基础研究及在线监控。对于这样的极端环境，高带宽的吸收光谱测量可以为非平衡环境中的物质形成、温度测量和量子态种群的研究提供丰富的信息。通常此类反应时间短，且经常伴随复杂的热化学反应，因此在高带宽基础上，光谱测量速度至关重要。然而在如此极端的条件下直接进行快速光谱测量是一个极具挑战的技术难题。现有的宽带测量技术，例如傅立叶变换红外光谱仪或快速调谐的宽扫描外腔量子级联激光光谱，虽然能提供令人满意的光谱覆盖范围，达到宽光谱的测量要求，但由于其原理上低时间分辨率的特点，无法达到快速测量的目的。通常，快速测量解决方法是使用一系列激光测量系统在特定范围波长下获取物质的光谱信息，然后组合形成混合的光谱信息。这种方法虽然可以较快速地实现光谱测量，但其所能提供的频谱信息十分有限，限制了其在相关高能反应系统体系下进行反应动力学研究的应用。

    针对这一技术难题，IRsweep公司基于快速发展的量子级联激光（QCL）双频率梳技术开发了红外固态快速双光梳红外光谱仪 (DCS)。DCS突破了传统傅里叶红外光谱仪受其工作原理和光源限制所带来的时间分辨率低、高的分辨率下信噪比低、红外透射方法难以测量厚度大及毫米尺度的样品等缺点。可同时满足高测量速度（微秒级时间分辨率，< 1 µs）、高光谱分辨率（3x10^-4 cm^-1）和宽光谱范围的要求，能够成功用于高温、高压、快速反应的极端条件下的快速红外光谱研究。因此，该双光梳光谱仪在相关应用和文献报道中引起了研究者的广泛关注。

    近期，斯坦福大学的NICOLAS H. PINKOWSKI研究团队与IRsweep公司合作成功利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1（Dual-comb spectrometer, DCS）为我们演示了中红外QCL的双梳状光谱仪在高能气相反应中的微秒分辨单次测量的应用。实验中配备了两个频率梳和多套独立的验证测量系统，在压力驱动下的高温、高压反应釜中研究了一种剧烈的丙炔氧化化学反应 （图1）。具体而言，作者在1225 K，2.8 大气压和2％p-C₃H₄ / 18％O₂的预点火条件下，测量了丙炔与氧气之间1.0 毫秒高温反应的详细动力学光谱（图2）。实验所采用的量子级联激光的双梳状光谱仪（DCS）是由两个独立运行的，非固定频率的频率梳组成，其发射波长带宽为179 cm^-1 (1174 cm^-1-1233 cm^-1), 具有9.86 GHz的自由频谱范围和5 MHz的频梳间距，可实现实测4 μs的时间分辨率（理论时间分辨率 2 μs）。同时，作者使用另一套独立的带间级联激光（ICL）光谱仪对DCS测量的精度做了仔细的对比研究，确认了DCS测量的准确性。研究结果表明，单脉冲DCS可以以4 μs时间分辨测量速率解析丙炔氧化动力学（图3），DCS数据清楚显示：在反应早期（0-0.6 ms）能观察到宽带丙炔吸收特征峰，而在0.75 ms之后可以观察到水的精细特征光谱。在剧烈的高温高压反应中（1 ms 内约2500K和60倍的温度和压力变化）DCS数据显示了出良好的信噪比，其信号的自然噪声YZ和时间分辨率在高焓测试环境中显示出明显优势。同时，独立的辅助激光测量光谱（ICL）结果与DCS系统测量结果具有良好的一致性（图4）。此外，DCS能够解析与温度直接相关的量子态信息。并且，随着光谱模型和高温截面数据库的改进，将来DCS系统的测量准确性会进一步提升。 随着中红外双梳光谱技术的出现，为超灵敏双光梳红外光谱仪在高焓反应和非平衡环境的反应动力学研究中提供了广阔的研究机遇。研究者坚信超灵敏双光梳红外光谱仪在高能反应动力学研究中将会有更多应用前景。

图1 高能反应系统实验装置示意图

A：QCL双光梳快速红外光谱系统（DCS）包括相应的探测器；B：独立的ICL激光系统用于探测p-C3H4反应；C：独立的ICL激光探测系统，用于探测反应中水的变化

图2 2％ p-C₃H₄ / 18％ O₂/ 80%  Ar 在1225 K，2.8 大气压条件下丙炔氧化反应动力学研究结果

（a）测量和模拟反应的热力学条件；（b）DCS测量的吸收光谱随时间的变化关系。 白色虚线区域表示具有高信噪比的两个区域

图3 丙炔氧化反应动力学DCS研究结果（ 1215 cm^-1-1225 cm^-1）

图4 p-C₃H₄ / Ar在 1120 K、3大气压条件下的高温扫描QCL激光（ICL, 灰色）和DCS（蓝色）光谱对比

参考文献：

[1] Nicolas H. Pinkowski et al., Dual-comb spectroscopy for high-temperature reaction kinetics, 2020,  Meas. Sci. Technol. 31 055501, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab6ecc