專利名稱：一種鈮酸鋰晶體的極化方法
技術領域：
本發明涉及晶體后處理工藝，尤其涉及鈮酸鋰晶體極化方法及裝置。
背景技術：
鈮酸鋰LiNbO3(LN)是一種具有優良壓電、電光和非線性光學性能的多功能材料，被用來制作電視濾波器、電光調制器和激光倍頻器.目前一般條件下生長的鈮酸鋰晶體室溫為鐵電相多疇結構，這對鈮酸鋰晶體的壓電、電光和非線性的性質造成了不利的影響，因此鈮酸鋰的單疇化對于鈮酸鋰晶體的應用起著關鍵的作用。
對于鈮酸鋰晶體的極化退火工藝，現行的方法和前人的報道皆為沿鈮酸鋰的極軸即鈮酸鋰的C軸進行極化，參見格萊伯米亞等人，LiNbO3摻MgO的晶體生長與研究，《晶體生長》，1986；79682和古川等人，用于電光器件的Mg:LiNbO3的晶體生長與性質，《晶體生長》1990；99832(B.C.Grabmier el al.”Growth and Investigation of MgO-doped LiNbO3”《J.Cystal Growth》1986；79682；Y.Furukawa el al.”Growth and Characterization ofMgO-doped LiNbO3for Electro-optic Devices”《J.cystal growth》1990；99832)。上述兩篇文獻報道了Mg:LN晶體的極化條件，指出晶體要沿C軸的直流電場進行極化處理，極化電流2mA/cm2，通電30-60分鐘。對于這種極化，若用鉑鍍導電層是不合適的，因為極化后發現Pt進入晶體之中。用鉑片壓在平坦晶體端面上極化晶體可以獲得成功。趙業權等“摻鎂富鋰LiNbO3晶體的生長及其抗光折變效應”《人工晶體學報》1990；19(3)200一文中給出了高摻鎂極化示意圖，由該圖可知用鉑片作電極，是將LN陶瓷片和LN陶瓷粉夾在電極和晶體之間。現有技術多采用上述工藝，其極化條件與LN晶體大致相同。極化爐為硅碳棒馬弗爐，晶體樣品在爐內安放時會造成晶體樣品與極板的相對位移，致使接觸不良。
以上文獻所報道的方法有以下缺點1.較難保證電極與晶體端面的良好接觸，常導致極化電流密度不均勻，嚴重時引起晶體開裂。
2.采用LN陶瓷片、LN陶瓷粉夾在Pt片與晶體之間，以減小接觸不良造成的電場不均，卻難以使陶瓷粉撒放均勻，仍然存在接觸面各點電阻不均勻的問題，會出現晶體“斷邊”現象，另外，在極化溫度下，LN陶瓷片和陶瓷粉會變的粗糙松散，影響電流均勻，嚴重時會出現陶瓷片裂散，無法重復使用。
發明內容本發明提供了一種新的鈮酸鋰晶體的極化方法和裝置，以彌補現有技術的不足，使LN和摻雜LN得到完全極化。
本發明的鈮酸鋰晶體的極化方法，步驟如下將Y切、磨平端面的鈮酸鋰晶體樣品置于兩個極化晶片之間，用鈮酸鋰晶片作極化晶片，極化晶片和鈮酸鋰晶體樣品之間有壓平的鈮酸鋰晶體粉料，上下兩個極化晶片各加一鉑片構成極化電極，升溫至1200±5℃恒溫5-10h，開始加電場極化，鈮酸鋰晶體樣品沿Y向極化，保持溫度1200±5℃，30m-1h，再降溫至800℃停止電場通電，繼續降溫，降至室溫。
本發明的方法其特征之一在于鈮酸鋰晶體樣品沿Y向極化，其特征之二在于用鈮酸鋰晶片作極化晶片，極化晶片和鈮酸鋰晶體樣品之間有研細并壓平的鈮酸鋰晶體粉料。
優選的，鈮酸鋰晶體Y切后兩端面磨平，誤差不超過±10′。
優選的，所述的鉑片需整平處理，處理方法是將0.5-1mm厚的鉑片在氫氟酸溶液里浸泡后取出，再施加20噸的壓力壓平。
優選的，所述的鈮酸鋰晶體樣品端面磨平是使其在相互垂直的的兩個方向都與零號刀口尺的刀口吻合。
優選的，所述的鈮酸鋰極化晶片需整平處理，處理方法同鈮酸鋰晶體樣品的端面磨平。
優選的，所述的鈮酸鋰極化晶片是與鈮酸鋰晶體樣品為同一成分，鈮酸鋰極化晶片端面的方向沒有限制，厚度為1mm-5mm。
上述鈮酸鋰極化晶片的一面涂鉑漿，將鉑片放置在鉑漿上，壓緊，使鉑片與極化晶片緊密結合，然后放置晾干。將鈮酸鋰極化晶片的另一面壓上一層鈮酸鋰晶體粉料，壓平并壓緊。
優選的，所述的鈮酸鋰晶體粉料粒度在300-600目，用蓋玻片壓平、壓緊后反轉朝下，粉料不松動，不脫落。壓緊后厚度不超過1mm。
優選的，所述的極化過程中控制溫度與加電場是升溫至1200±5℃恒溫5-10h，開始加電場極化，極化電流密度8-10mA/cm2，保持溫度1200±5℃，30m-1h，再降溫至800℃停止電場通電。
優選的，上述的升溫速度為30℃/h，降溫速度為900℃以上20℃/h，900℃以下50℃/h。
本發明鈮酸鋰晶體極化方法的專用設備，結構如下如圖1所示，該設備包括加熱爐，保溫裝置，程序自動控溫裝置，直流電場發生、調整裝置，加熱爐由爐膛、爐殼、支架、硅碳棒、ZrO2耐火棉組成，爐膛是Al2O3空心球耐火磚，保溫系統的一側放置一熱電偶，坩堝外側有熱電偶與控溫裝置連接，其特征在于，下端面與鉑電極15接觸的極化晶片14上面依次有鈮酸鋰晶體粉料13、鈮酸鋰晶體樣品12、鈮酸鋰晶體粉料10、極化晶片9、鉑片8，構成緊密接觸體，兩鉑片與直流電源連接。
優選的，保溫裝置包括剛玉套筒11、剛玉坩堝4、ZrO2粉料6，ZrO2耐火棉18。剛玉坩堝底部鋪有ZrO2粉料，厚度在5mm-15mm，由鈮酸鋰晶體樣品、鈮酸鋰晶體粉料、極化晶片和鉑片構成的緊密接觸體置于ZrO2粉料上，緊密接觸體外套有一個剛玉套筒。在剛玉套筒內的空隙填有鈮酸鋰晶體粉料，在剛玉坩堝與剛玉套筒間的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料與剛玉套筒上端面持平。剛玉坩堝上部空間填充ZrO2耐火棉。
優選的，在頂端的鉑電極8上置一耐火磚，以便做重物壓緊接觸體。
優選的，所述的熱電偶是Pt90Rh10-Pt熱電偶。
優選的，所述的鉑電極用0.2mm的Pt導線與直流電源連接。
優選的，所述的晶體樣品端面、極化晶片、剛玉套筒尺寸依次略有遞增。
本發明晶體樣品和極化電極緊密結合，晶體樣品與電極晶片的結合處有壓緊壓平的鈮酸鋰晶體粉料可保證整體密合。
本發明不同于前人采用的Z方向極化，而是采用對鈮酸鋰晶體Y方向極化，相比極化電流增大，可以得到完全單疇化的鈮酸鋰晶體。本發明的專用設備中的極化裝置和保溫裝置在極化時是固定在一起的，保證晶體與電極系統的相對位置不發生變化，確保極化電流密度均勻性，極化溫場設計合理。本發明使用的LN晶片取代常用的LN陶瓷板，能保證和極化晶體接觸良好，從而保證了極化電流密度的均勻性。本發明采用1200±5℃極化溫度，采用上述極化裝置和方法，可以獲得完全單疇化的LN或摻雜LN。下表為鈮酸鋰晶體采用本發明極化前后的壓電系數(單位pC/N)對比值表1
表2
圖1是本發明的極化裝置結構示意圖，圖2是本發明的極化裝置中緊密接觸體的結構示意圖。其中，1.ZrO2耐火棉，2.氧化鋁空心球耐火磚爐膛，3.硅碳棒，4.剛玉坩堝，5.熱電偶6.ZrO2粉料，7.耐火磚重物，8.鉑片，9.鈮酸鋰晶片，10.鈮酸鋰粉料，11.剛玉套筒，12.鈮酸鋰樣品，13.鈮酸鋰粉料，14.鈮酸鋰晶片，15.鉑片，16.鈮酸鋰晶體粉料，17.耐火磚支柱18.ZrO2耐火棉，19.mA電流計，20.晶體管直流穩壓電源，21.熱電偶補償導線，22.FP21自動控溫儀。
具體實施方式
實施例1Mg:LN晶體極化方法1.將Mg:LN晶體切出兩個垂直于Y軸的端面，并將端面磨平，誤差不超過±10′。
2.鈮酸鋰極化晶片兩面磨平，用刀口尺檢查，以其平面度與晶體兩端面相同為標準。
3.用15mm×15mm的鉑片制作電極將鉑電極放置于氫氟酸溶液里浸泡5h，取出整平，用20噸壓力壓平。用Φ0.2mmPt導線連接。
4.鈮酸鋰極化晶片的一面涂滿Pt漿，并涂平。將Pt電極放置在Pt漿上，并壓緊，使Pt電極與晶片緊密結合，然后放置晾干。將鈮酸鋰極化晶片的另一面壓上一層鈮酸鋰晶體粉料，壓平并壓緊。用以上制作的兩個鈮酸鋰極化電極夾好晶體樣品(樣品與鈮酸鋰晶體粉料接觸)5.將剛玉坩堝底部放置ZrO2粉料，將上一步做好的晶體樣品、極化用晶片、鉑電極緊密結合的系統放置在ZrO2粉料上，套上剛玉套筒，將剛玉套筒內的空隙填滿鈮酸鋰晶體粉料，將剛玉套筒和剛玉坩堝間的空隙填滿ZrO2粉料，在鉑電極上方放置一Al2O3空心球耐火磚做重物壓緊。然后用ZrO2耐火面填滿整個剛玉坩堝。
6.剛玉坩堝放置于爐膛內合適溫場部位。
7.將極化電路和控溫系統接好。Pt導線與直流電源用焊錫焊接保證電路連接良好。
8.按下述程序和條件極化(1).按30℃/h速度升溫至1200℃，恒溫5小時。
(2).加電場極化，電流密度10mA/cm2，恒溫1小時。
(3).按20℃/h速度降至900℃，再按50℃/h速度降至室溫，在800℃時電場斷電。
(4).晶體充分涼透后取出。即得完全單疇化的Mg:LN晶體。
鈮酸鋰晶體極化方法的專用設備，結構如下如圖1所示，包括加熱爐，保溫裝置，程序自動控溫裝置，直流電場發生、調整裝置，加熱爐由爐膛、爐殼、支架、硅碳棒3、ZrO2耐火棉1組成，爐膛是Al2O3空心球耐火磚2，保溫系統坩堝外側放置一熱電偶5，熱電偶是Pt90Rh10-Pt熱電偶，與控溫裝置(FP21)22連接，下端面與鉑電極15接觸的極化晶片14上面依次有鈮酸鋰晶體粉料13、鈮酸鋰晶體樣品12、鈮酸鋰晶體粉料10、極化晶片9、鉑片8，構成緊密接觸體，兩鉑片與直流電源20連接。保溫裝置包括剛玉套筒11、剛玉坩堝4、ZrO2粉料6，ZrO2耐火棉18。剛玉坩堝底部鋪有ZrO2粉料6，厚度在10mm，由鈮酸鋰晶體樣品、鈮酸鋰晶體粉料、極化晶片和鉑片構成的緊密接觸體置于ZrO2粉料6上，緊密接觸體外套有一個剛玉套筒11。在剛玉套筒11內的空隙填有鈮酸鋰晶體粉料16，在剛玉坩堝4與剛玉套筒11間的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料與剛玉套筒11上端面持平。剛玉坩堝4上部空間填充ZrO2耐火棉1。在頂端的鉑電極8上置一耐火磚，以便做重物壓緊接觸體。鈮酸鋰極化晶片厚20mm，面積大于樣品端面；整平的15mm×15mm的鉑片與0.5mmPT導線相連接；實施例2如實施例1，所不同的是極化樣品為同成分LN晶體，極化溫度為1175℃。
實施例3如實施例1，所不同的是極化樣品為從熔體[Li]/([Li]+[Nb])＝1生長的鈮酸鋰晶體，極化溫度為1200℃。
權利要求
1.鈮酸鋰晶體的極化方法，步驟如下將Y切、磨平端面的鈮酸鋰晶體樣品置于兩個極化晶片之間，用鈮酸鋰晶片作極化晶片，極化晶片和鈮酸鋰晶體樣品之間有壓平的鈮酸鋰晶體粉料，上下兩個極化晶片各加一鉑片構成極化電極，升溫至1200±5℃恒溫5-10h，開始加電場極化，鈮酸鋰晶體樣品沿Y向極化，保持溫度1200±5℃，30m-1h，再降溫至800℃停止電場通電，繼續降溫，降至室溫。
2.如權利要求1所述的極化方法，其特征在于，鈮酸鋰晶體Y切后兩端面磨平，使其在相互垂直的的兩個方向都與零號刀口尺的刀口吻合，誤差不超過±10′。
3.如權利要求1所述的極化方法，其特征在于，所述的鉑片需要整平處理，處理方法是將0.5-1mm厚的鉑片在氫氟酸溶液里浸泡后取出，再施加20噸的壓力壓平。
4.如權利要求1所述的極化方法，其特征在于，所述的鈮酸鋰極化晶片與鈮酸鋰晶體樣品為同一成分，鈮酸鋰極化晶片端面的方向沒有限制，厚度為1mm-5mm。
5.如權利要求1或4所述的極化方法，其特征在于，所述鈮酸鋰極化晶片的一面涂鉑漿，將鉑片放置在鉑漿上，壓緊，使鉑片與極化晶片緊密結合，放置晾干，然后將鈮酸鋰極化晶片的另一面壓上一層鈮酸鋰晶體粉料。
6.如權利要求4所述的極化方法，其特征在于，所述的鈮酸鋰晶體粉料粒度在300-600目，壓緊后厚度不超過1mm。
7.如權利要求1所述的極化方法，其特征在于，所述的加電場極化的極化電流密度是8-15mA/cm2。
8.如權利要求1所述的極化方法，其特征在于，所述的升溫速度為30℃/h，降溫速度為900℃以上20℃/h，900℃以下50℃/h。
9.一種用于權利要求1的鈮酸鋰晶體極化方法的專用設備，包括加熱爐，保溫裝置，程序自動控溫裝置，直流電場發生、調整裝置，加熱爐由爐膛、爐殼、支架、硅碳棒、ZrO2耐火棉組成，爐膛是Al2O3空心球耐火磚，保溫系統的一側放置一熱電偶，坩堝外側有熱電偶與控溫裝置連接，其特征在于，下端面與鉑電極(15)接觸的極化晶片(14)上面依次有鈮酸鋰晶體粉料(13)、鈮酸鋰晶體樣品(12)、鈮酸鋰晶體粉料(10)、極化晶片(9)、鉑片(8)，構成緊密接觸體，兩鉑片與直流電源連接。
10.如權利要求9所述的鈮酸鋰晶體的極化的專用設備，其特征在于，所述保溫裝置包括剛玉套筒(11)、剛玉坩堝(4)、ZrO2粉料(6)，ZrO2耐火棉(18)，剛玉坩堝底部鋪有ZrO2粉料，厚度在5mm-15mm，由鈮酸鋰晶體樣品、鈮酸鋰晶體粉料、極化晶片和鉑片構成的緊密接觸體置于ZrO2粉料上，緊密接觸體外套有一個剛玉套筒，在剛玉套筒內的空隙填有鈮酸鋰晶體粉料，在剛玉坩堝與剛玉套筒間的空隙填有ZrO2粉料，ZrO2粉料與剛玉套筒上端面持平，剛玉坩堝上部空間填充ZrO2耐火棉。
全文摘要
本發明涉及一種鈮酸鋰晶體極化方法和專用設備，屬于晶體材料后處理技術領域。將鈮酸鋰晶體Y切，晶體樣品置于兩個鈮酸鋰極化晶片之間，極化晶片和晶體樣品之間有鈮酸鋰晶體粉料，上下兩個極化晶片各加一鉑片構成極化電極，極化溫度1200±5℃，加電場極化。專用設備中鉑電極、極化晶片、鈮酸鋰晶體粉料、晶體樣品構成緊密接觸體，緊密接觸體外套有一個剛玉套筒。本發明采用晶體Y方向極化，鈮酸鋰晶片代替傳統的鈮酸鋰陶瓷板，極化裝置和保溫裝置在極化時固定在一起。用本發明的方法和裝置進行極化處理的LN和摻雜LN能更好地實現完全單疇化。
文檔編號C30B29/30GK1880522SQ20061004395
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月15日 優先權日2006年5月15日
發明者宋建安, 袁多榮, 尹鑫, 郭世義, 段秀蘭 申請人:山東大學