專利名稱：一種助熔劑生長磷酸鋁晶體的方法
技術領域：
本發明涉及AlPO4(磷酸鋁)晶體的生長方法，屬于AlPO4晶體生長技術領域。
背景技術：
壓電晶體機電性能穩定、傳輸損耗小，是重要的電子功能材料。由其制備的壓電諧振器、壓電換能器及壓電傳感器在通訊、電聲、水聲、超聲、航空、醫療等領域應用廣泛。石英晶體在信息產業領域已經廣泛使用并形成產業。石英晶體具有非常好的溫度穩定性和零溫度系數切向(ST切型)，除氫氟酸外，不溶于其它的酸類與堿類溶液。在高溫度聲表面波及體波器件用壓電材料領域，幾乎成了石英晶體的一統天下。從穩定性方面考慮，至今仍然沒有能與石英晶體匹敵的材料。但是石英晶體機電耦合因數小(K2＝0.001)，用其制作的聲表面波器件和體波器件都有帶寬小、差損大的缺點。為適應當前迅速發展的現代化數字通訊技術的需要，新型壓電材料的研究成為當今材料領域研究的熱點。
AlPO4(磷酸鋁)的晶體結構與α-石英相似，是類石英晶體。與石英相比，AlPO4具有更優良的特性，機電耦合系數在體波與聲表面波的應用中比石英大2-4倍，除了可以用來制作體波及聲表面波元器件，還可以制作壓控振蕩器、溫度補償晶體振蕩器等。在體波諧振器方面，Y旋轉切θ角在-38。至30。之間的頻率溫度性能與石英相同切角的性能相比，除了AT與BT切型的相近似外，其它的均比石英的溫度系數的角靈敏度要好。
目前研究人員一直采用水熱法生長AlPO4晶體。水熱法生長的主要缺陷是很難避免晶體內部存在OH-集團，從而影響到晶體的介質極化率。采用水熱法生長AlPO4晶體，一般是采用磷酸(H3PO4)為介質溶液，培養料為磷酸(H3PO4)和氧化鋁(Al2O3)。在磷酸中所對應的生長條件為磷酸濃度為6.1M，生長區起始溫度為151℃。生長區與營養區溫差為2.5℃，升溫速度為1.6-2℃/天，結束生長時生長區溫度為200℃。
水熱法生長AlPO4晶體主要缺陷是由于水的存在，晶體中的OH-基團難以去除，降低了晶體的品質因數。同時，水熱法生長需要高溫高壓條件，貴金屬內襯用量大，對設備要求高，不利于規模生產。由于水熱法這種生長方法的限制，很難將晶體內水含量降到最低。近年來AlPO4晶體的水熱法生長并未獲得很大突破。
發明內容
針對上述現有水熱法生長AlPO4晶體的缺點，本發明提供一種能夠有效消除晶體內水的含量，提高AlPO4晶體的壓電性能，晶形完整的助熔劑生長磷酸鋁晶體的方法。
本發明的助熔劑生長磷酸鋁晶體的方法是以碳酸鋰和磷酸二氫銨作助熔劑，溶質濃度為10-50％，以2N-5N的氧化鋁及磷酸二氫銨為原料，將磷酸二氫銨、氧化鋁、碳酸鋰、磷酸二氫銨按1∶2.25∶6.44∶15.5的重量比稱量，混合均勻后放入育晶器中，在生長爐中加熱升溫至1000-1050℃熔融，恒溫24小時以上，再冷卻至溶液飽和點溫度之上10-20℃，得到磷酸鋁與助熔劑的混合熔體；在高于溶液飽和點溫度10-20℃時，將籽晶引入生長爐，置液面上方預熱后下入磷酸鋁與助熔劑的混合熔體中，待籽晶開始熔化后，將溫度降至飽和點以上1-2℃，同時以30轉/每分鐘的旋轉速率，按照正轉—停—反轉的循環方式旋轉，24小時后開始降溫，降溫速率由生長初期的0.2-0.4℃/天增加到后期的1-2℃/天；45-50天后生長結束，從溶液中提出晶體，以30℃/小時的降溫速率降至200℃后，自然冷卻至室溫。
本發明采用的助熔劑法生長AlPO4晶體是在高溫條件下進行，采用這種方法可以有效的消除了AlPO4晶體內部水的存在，提高晶體的壓電性能。采用助熔劑法生長的AlPO4晶體，晶形完整，在紅外波段未發現OH-集團的明顯吸收。
附圖是采用本發明生長晶體的生長爐的結構示意圖。
圖中1、轉動裝置，2、籽晶桿，3、耐火磚，4、爐管，5、電阻絲，6、保溫材料，7、育晶器，8、熔液，9、氧化鋁坩堝，10、熱電耦。
具體實施例方式
實施例附圖給出了采用本發明的方法生長AlPO4晶體的生長爐的結構示意圖。該生長爐為一立式電阻絲加熱爐，籽晶桿2伸入熔液8內，在轉動裝置1的帶動下轉動，爐管4內設有耐火磚3，電阻絲5繞在爐管4外壁，其外層為保溫材料6。控溫設備為FP21型可編程自動控溫儀，在生長溫度區域內控溫精度為0.1％。育晶器7置入氧化鋁坩堝9中，為70×90mm的鉑金坩堝，可以承受1774℃以下的工作溫度，所盛熔體不易對其造成腐蝕。熱電耦10采用PtRh/Pt，可以有效控制生長溫度。
選用碳酸鋰—磷酸二氫銨(Li2CO3-NH4H2PO4)作助熔劑，溶質濃度為15％，原料為高純的2N-5N的氧化鋁及磷酸二氫銨(Al2O3、NH4H2PO4)，將上述各試劑按磷酸二氫銨、氧化鋁、碳酸鋰、磷酸二氫銨＝1∶2.25∶6.44∶15.5的重量比嚴格稱量，混合均勻后放入育晶器7中，升溫至1000℃至1050℃化料熔融，恒溫24小時以上，確保物料充分熔化后進行攪拌，使溶液充分混和均勻；再冷卻至溶液飽和點溫度之上10-20℃，得到磷酸鋁與助熔劑的混合熔體。
化學反應方程式為助熔劑體系反應方程式為
用籽晶試探法測定溶液飽和點溫度，選用質量較好的籽晶生長，在高于飽和點溫度10-20℃時，將籽晶緩慢引入生長爐，置液面上方適當位置充分預熱后下入溶液，此時要保持一段時間并使籽晶稍稍熔化，以保證籽晶與溶液接觸的端面有一層新鮮的原子面，避免籽晶本身帶有的機械缺陷和位錯等缺陷的延伸。然后將溫度降至飽和點以上1-2℃，以30轉/每分鐘的旋轉速率，按照正轉—停—反轉的循環方式旋轉(這樣的旋轉方式有利于晶體各個面的生長)。24小時后開始降溫，降溫速率隨晶體的生長而不斷加快，由生長初期的0.2-0.4℃/天增加到后期的1-2℃/天，生長周期為50天。生長結束后，從溶液中提出晶體，以30℃/小時的降溫速率降至200℃后，讓其自然冷卻至室溫，降溫過程大約持續2～3天。因為用助熔劑法生長的晶體是高溫出爐，所以此階段的降溫速率一定要慢。這樣可以避免熱應力造成的晶體開裂，保持晶體的完整性。采用此方法獲得到了晶形完整的AlPO4晶體，在紅外波段未發現OH-集團的明顯吸收。
權利要求
1.一種助熔劑生長磷酸鋁晶體的方法，其特征是以碳酸鋰和磷酸二氫銨作助熔劑，溶質濃度為10-50％，以2N-5N的氧化鋁及磷酸二氫銨為原料，將磷酸二氫銨、氧化鋁、碳酸鋰、磷酸二氫銨按1∶2.25∶6.44∶15.5的重量比稱量，混合均勻后放入育晶器中，在生長爐中加熱升溫至1000-1050℃熔融，恒溫24小時以上，再冷卻至溶液飽和點溫度之上10-20℃，得到磷酸鋁與助熔劑的混合熔體；在高于溶液飽和點溫度10-20℃時，將籽晶引入生長爐，置液面上方預熱后下入磷酸鋁與助熔劑的混合熔體中，待籽晶開始熔化后，將溫度降至飽和點以上1-2℃，同時以30轉/每分鐘的旋轉速率，按照正轉—停—反轉的循環方式旋轉，24小時后開始降溫，降溫速率由生長初期的0.2-0.4℃/天增加到后期的1-2℃/天；45-50天后生長結束，從溶液中提出晶體，以30℃/小時的降溫速率降至200℃后，自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發明提供了一種助熔劑生長磷酸鋁晶體的方法，以碳酸鋰和磷酸二氫銨作助熔劑，以氧化鋁及磷酸二氫銨為原料，將各試劑稱量混合均勻后放入育晶器中，在生長爐中加熱熔融，恒溫24小時以上，冷卻至溶液飽和點溫度之上10－20℃；在高于溶液飽和點溫度10－20℃時，將籽晶引入生長爐，置液面上方預熱后下入熔體中，開始熔化后，將溫度降至飽和點以上1－2℃，同時以30轉/每分鐘的旋轉速率，24小時后開始降溫，降溫速率為0.2－0.4℃/天至1－2℃/天；45－50天后生長結束，從溶液中提出晶體，以30℃/小時的降溫速率降至200℃后，自然冷卻至室溫。本發明可以有效的消除AlPO
文檔編號C30B9/00GK1872670SQ200610044988
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月26日 優先權日2006年6月26日
發明者王繼揚, 李靜, 梁曦敏 申請人:山東大學