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压电晶体制成的(高温)压电传感器、声波器件在航空航天、雷达、通讯导航和化学工业等领域发挥着重要的作用。但是目前商业化的石英、铌酸锂等晶体,受制于其较小的机电耦合系数,较差的高温介电和压电性能稳定性,较大器件插入损耗等局限,难以满足各行业飞速发展的新需求。在硅酸镓镧(La3Ga5Si014,LGS)系列晶体中,CNGS(Ca3NbGa3Si2014)晶体表现出良好的压电性能、光学性能和热学性能,是一种具有潜在应用价值的多功能复合材料。研究者们目前的方向主要是探索其在压电传感器件以及稀土掺杂后在固体激光器领域的潜在应用。除了对其性能的表征,针对其功能基元,性能与晶体结构、电子结构之间的关系,稀土掺杂的影响规律的研究,相对较少。如果能进一步的,从较深的层次提出和解决相关问题,可为设计和生长性能优良的功能晶体提供预测和指导,从而设计和获得性能更好的压电和激光材料。本论文探究了稀土掺杂Re:Ca3NbGa3Si2O14晶体的提拉法生长工艺,就稀土离子的掺杂对于晶体压电性能以及微观电子结构的影响展开了一系列研究,并且通过第一性原理计算的方法进一步研究了 CNGS晶体的结构和性能之间的关系。1)使用提拉法,生长系列掺杂浓度的Nd3+:Ca3NbGa3Si2O14(Nd3+:CNGS)晶体,以及Er3+:CNGS、Tm3+:CNGS晶体。通过设计并不断调整提拉炉内温场的结构,结合晶体生长动力学和热力学理论,最终获得适于晶体生长的温场和生长工艺。从而提高了单晶的生长质量,降低了晶体内絮状包藏、开裂、色心、云层等缺陷的出现概率,成功获得了无宏观缺陷、高质量的Re:CNGS单晶。晶体的生长方向为X方向,尺寸范围在Ω20～30mm×H45～60mm之间。2)对Re:CNGS晶体进行了结构分析,测试了基本的热学性能。X射线粉末衍射结果表明,生长所得Re:CNGS晶体与CNGS为同一物相,均属三方晶系32点群。稀土离子掺杂之后,晶体的晶格常数减小。利用X射线荧光光谱仪,测试了 Re:CNGS晶体中的实际掺杂浓度,结果表明,10 at.%Nd3+:CNGS中的实际掺杂浓度为6.93 at.%。测试分析了 Re:CNGS晶体的热膨胀系数、比热、热扩散系数以及热导率,并与未掺杂的CNGS晶体进行了对比。结果表明,稀土离子参与晶体生长有使晶体的热膨胀系数增大,比热减小,热扩散系数减小的趋势。这也解释了 Re:CNGS晶体生长过程中易开裂的现象。3)根据IEEE压电测量标准,使用阻抗分析法,以CNGS晶体作为对照,对系列掺杂浓度Nd3+:CNGS晶体的介电、压电、弹性、机电耦合系数和机械品质因子分别进行了测试。探究了高浓度掺杂的稀土元素对于晶体电弹性能的影响,并对其温度依赖性以及零频率温度系数切型进行了表征。实验结果显示,高掺杂浓度Nd3+:CNGS晶体(5 at.%,10 at.%)的电弹性能随着掺杂浓度的提高产生了较明显的变化。在室温到800℃的温度范围内,对于10 at.%Nd3+:CNGS压电性能的温度依赖性进行了研究。晶体的介电常数靠,介电损耗,压电常数d11和弹性常数s11随温度的变化趋势与CNGS 一致,但是变化率有所增大。对于零频率温度系数切型的研究结果显示,10 at.%的Nd3+:CNGS 一阶频率温度系数最小的切型出现在了 Yxl(-30°),温度拐点为200℃,一阶频率温度系数为12.73ppm/℃,二阶频率温度系数为-32.99 ppb/℃。相对于未掺杂的CNGS晶体,其最优切型角度、频率温度系数都因为Nd3+:CNGS的掺杂发生了改变。4)采用X射线光电子能谱仪,对晶体的元素组成以及电子结构进行了研究。实验结果表明,随着稀土掺杂浓度的增大,元素的峰位向结合能增大的方向移动,这主要是因为掺入稀土离子之后,改变了元素周围电子分布。利用Materials Studio 软件包中的 CASTEP(Cambridge Series Total Energy Package)模块,对CNGS的能带和态密度进行计算,计算结果与实验所得结果相符。