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摘要
搭建气体动力学悬浮无容器激光加热装置耦合皮秒级时间门控拉曼光谱仪，突破常规加热法的温度与坩埚材料的限制的同时，依靠皮秒级脉冲激光极短的测量周期大幅度屏蔽高温极端条件下黑体辐射对拉曼信号的干扰。并利用该平台首次原位测定了高熔点MgTi2O5超高温下(1 903、 1 953和2 003 K)的高信噪比熔体拉曼光谱。并通过耦合三代增强型电荷耦合探测器(ICCD)与纳秒级脉冲激光实现测定MgTi2O5晶体样品室温(RT)到1 673 K的完整温度范围的原位拉曼光谱。在RT升至1 953 K的升温过程中晶体的拉曼光谱出现展宽和红移现象，相对强度降低，当温度升高到熔体(2 003 K)成为单一宽泛的包络线，表明此时晶体的长程有序的结构已经被破坏，体系内微结构发生本质改变。运用密度泛函理论(DFT)计算其常温拉曼光谱，比照实验光谱，对主要振动模式进行了归属分析，拉曼光谱位移低于350 cm-1的低波数区的振动主要归属于晶体的晶格振动，中波数区域485 cm-1的振动峰为Ti—O—Ti弯曲振动，主要特征峰648 cm-1处为TiO6八面体内O—Ti伸缩振动；787 cm-1处为TiO6八面体内O—Ti—O的弯曲振动。对熔体结构运用量子化学从头计算法，模拟了系列团簇模型的拉曼光谱，获得了特征振动模式的波数和散射截面，实验拉曼光谱采用散射截面校正后，解谱并定量分析了熔体中团簇结构的分布。定量分析显示，MgTi2O5晶体熔化后，存在TiO4四面体构型(不同构型的Qi相对摩尔分数分别为54.6%Q0、 20.1%Q1、 5.0%Q2、 4.8%Q3,Qi为不同桥氧数i的钛氧四面体)和TiO6八面体构型(H0的相对摩尔分数为14.8%,H0为孤立的六配位钛氧八面体)。Ti4+主要以孤立四面体结构Q0、二聚体结构Q1四配位形式存在，少部分以孤立的钛氧八面体H0六配位的形式存在。结果表明：MgTi2O5熔体成分中占较大比例的孤立结构，破坏了体系网络连接性，抑制了玻璃形成能力，因此该高温熔体不具备形成玻璃的条件。在升温过程中MgTi2O5晶体的拉曼光谱显示无相变发生；熔融过程中，晶体微结构中的Ti—O多面体结构由单一TiO6型转变为TiO4与TiO6型共存。
- 出版日期2023
- 单位中国科学院安徽光学精密机械研究所; 上海大学; 中国科学院，安徽光学精密机械研究所
